JPH0312695B2 - - Google Patents

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JPH0312695B2
JPH0312695B2 JP58181764A JP18176483A JPH0312695B2 JP H0312695 B2 JPH0312695 B2 JP H0312695B2 JP 58181764 A JP58181764 A JP 58181764A JP 18176483 A JP18176483 A JP 18176483A JP H0312695 B2 JPH0312695 B2 JP H0312695B2
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JP
Japan
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fiber
loop
output signal
light
phase delay
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JP58181764A
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Japanese (ja)
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JPS59135329A (en
Inventor
Jon Shoo Haabaato
Chodoro Maabin
Efu Sutookusu Rooren
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Leland Stanford Junior University
Original Assignee
Leland Stanford Junior University
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Publication date
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Publication of JPS59135329A publication Critical patent/JPS59135329A/en
Publication of JPH0312695B2 publication Critical patent/JPH0312695B2/ja
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24Coupling light guides
    • G02B6/26Optical coupling means
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01HMEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H9/00Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
    • G01H9/004Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means using fibre optic sensors
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/06Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the phase of light
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/0128Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on electro-mechanical, magneto-mechanical, elasto-optic effects
    • G02F1/0131Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on electro-mechanical, magneto-mechanical, elasto-optic effects based on photo-elastic effects, e.g. mechanically induced birefringence
    • G02F1/0134Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on electro-mechanical, magneto-mechanical, elasto-optic effects based on photo-elastic effects, e.g. mechanically induced birefringence in optical waveguides

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  • Lasers (AREA)
  • Electrostatic, Electromagnetic, Magneto- Strictive, And Variable-Resistance Transducers (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

A fiber optic sensor comprises a length of optical fiber (10), forming a loop (40), and a fiber optic directional coupler (20) for optically closing the loop (14). The loop (14) and coupler (20) form a resonant cavity for light circulating therethrough. A PZT cylinder (118), about which the fiber loop (14) is wrapped, is utilized to control the total round trip phase delay of the circulating light, and thus, control the intensity of the optical output signal W<sub>o</sub>. The phase delay is adjusted to a point Z where the optical output signal W<sub>e</sub> is at maximum sensitivity to changes in phase. When the fiber loop (14) is exposed to, e.g., acoustic waves, the loop length changes correspondingly, thereby causing the phase delay, and thus, the optical output signal W<sub>o</sub> to vary. By detecting variations in output signal intensity, the frequency and intensity of the acoustic waves may be determined. The sensor also includes a feedback system for stabilizing the fiber loop (14) against low frequency thermal drift.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

発明の背景 この発明はフアイバ光学センサに関するもの
で、安定化、前記フアイバ、共鳴リング干渉計セ
ンサに関する。 光フアイバは非常に多くの環境効果、たとえば
音響波や温度のゆらぎなどに感度をもつている。
光学フアイバに環境量が作用すると、この光フア
イバを通つてを通つて伝播する光の振幅、位相、
偏光状態などに変化が起きる。これによつて、フ
アイバをセンサ素子として使用することに、近年
興味が深まつている。 センサとしてよく用いられているものに、マツ
ハ−ツエンダー(Mach−Zehnder)およびサグ
ナツク(Sagnac)干渉計がある。これらの干渉
計においては、干渉している光波の間の位相差
が、感知される量の変化に応答して変動するた
め、このような干渉波によつて生ずる光の強度の
検出を行なうことによつて、感知される量の大き
さを決定することができる。また、検出された強
度は光波の間の位相差の余弦関数として変化す
る。典型的には、この干渉計はバイアスされてこ
ような余弦曲線の上の最大傾斜点において動作す
るようにされ、感知される量はこの動作点からの
強度のゆらぎを測定することによつて検出され
る。しかしながら、余弦関数の最大傾斜は、光学
パワーのピークからピークへの値を0から1の間
に正規化すると、約1/2ラジアン-1である。この
ため、このようなデバイスの感度は制限させてい
ることになる。さらに、余弦関数はその最小値お
よび最大値に向かう領域で著しい非線形の性質を
もつているため、一般に線形測定として用いるこ
とのできるのはこの曲線の一部分のみである。 発明の概要 この発明は、フアイバ光学センサを備えてお
り、このフアイバ光学センサは、第1と第2の端
部およびそれらの間のループ部分を持つた光フア
イバの単一の継ぎ目のないストランドを含んでい
る。このループはフアイバ光学結合器を用いて閉
じられている。光源を用いて第1の端部に光波を
与え、この光波はフアイバを通つて伝播して第2
の端部へ到達し、光学的出力信号を与えるが、そ
の強度はループの長さに依存したものとなつてい
る。このループを通つて回転する光の周回位相遅
延は位相遅延デバイスによつて制御されてこの回
転光のための共鳴空洞を与える。このフアイバル
ープの長さは第1と第2の環境効果に対して感度
をもつており、そのうちの第1のものは第1の周
波数レンジの中で変化し、第2のものは第2の周
波数レンジの中で変化する。安定化デバイスによ
つてこの位相遅延デバイスを駆動し、第1の環境
効果によつて生ずるフアイバループの長さの変化
を補償して、出力信号を第1の環境効果に対して
安定化する。しかしながら、このような安定化の
間において、出力信号は第2の環境効果に対して
は感度を維持しており、このような第2の環境効
果は検出器によつて出力信号の中の強度の変動を
測定することによつて検出される。 好ましくは、この位相遅延デバイスは、ループ
の長さの変化に対する出力信号の感度が最大点と
なつているように、回転光に対する全周回位相遅
延を与えるものである。この位相遅延デバイスは
典型的には、フアイバループの一部分が巻かれて
いるPZTシリンダのような、フアイバを伸長さ
せるための機構を備えている。この安定化デバイ
スは好ましくは検出器からの電気信号によつて位
相遅延デバイスを駆動する電子回路を備えてい
る。このような場合においては、この電子回路は
信号をろ波して第1の周波数レンジの中の周波数
成分を通過させ、第2の周波数レンジの中の周波
数成分を有効にブロツクする。1つの好ましい実
施例においては、この電子回路は第1の周波数レ
ンジの中の信号成分に選択的に利得を与える積分
器を備えている。 上述したデバイスは音響波を感知する方法にお
いて用いることができる。この方法は光フアイバ
の中にループを形成し、そして入力光を与えて、
この光をループを通して伝播させて光学的出力信
号を与えることを含んでいる。ループを光学的に
閉じためにフアイバ光学結合器を用いる。出力信
号の強度に影響を与えるループの長さは、共鳴空
洞を与えるように選ばれる。熱的に誘起されたル
ープの長さの変化は、この熱的に誘起された変化
に対して出力信号の強度を安定化することによつ
て補償することができる。この出力信号を検出し
て、音響波の存在を感知する。好ましくは、ルー
プの変化に対する光学的出力信号の強度の最大感
知点を決定し、そして出力信号の強度がこの最大
感知点にあるようにループの長さが選ばれる。好
ましい実施例においては、感知される音響波の周
波数よりも低い周波数をもつた出力信号の成分を
検出することによつて熱的に誘起されたループの
長さの変化の補償が行なわれ、そしてループの長
さは検出された周波数成分に応答して変化を受け
る。 特に、この発明のセンサは高いフイネス
(finesse)の全フアイバ光学リング共鳴器利用し
た従来の技術における問題を軽減し、極めて鋭い
スパイク状のそして非常に直線的な出力パワー曲
線をもつている。好ましくは、このような出力曲
線の傾斜は、共鳴器のフイネスを約80としたと
き、14ラジアン-1のオーダのものとなつている。
したがつて、共鳴器のこの特定のタイプは、それ
を通つて伝播する光に影響を与える環境量を測定
する、高い精度をもつたフアイバ光学センサを与
えるものである。このような場合、ループに入つ
てくる音響波によつて、ループの長さがこの音響
波の大きさまたは周波数の関数として変化する。
このようなループの長さの変化は、次に共鳴器の
出力パワーをそれに応じて変化させる。出力パワ
ーにおけるこの変化を検出することによつて、音
響波の大きさおよび周波数を直接指示させること
ができる。 このループの長さの変化は他の環境や周囲の影
響、たとえば温度のゆらぎによつても発生するこ
とができ、これによつてこの共鳴器の出力パワー
が比較的低い周波数においてドリフトする。この
発明の好ましい実施例においては、このような低
周波ドリフトをフイードバツクシステムを用いて
補償している。 好ましくは、フアイバリングの中のループの長
さの変化によつて誘起された、周期的な位相偏移
の観測された感度、100Hzから10KHzの周波数レ
ンジにわたつて1.0×10-6rad/√Hzまたはそれ以
上であり、10KHzにおいて1.0×10-7rad/√Hzで
ある。100Hzより上の領域では、この好ましい実
施例の感度は、対応するマツハ−ツエンダー干渉
計の少なくとも2倍となつている。好ましい実施
例のテストを行なつてみると、この感度はシヨツ
トノイズによつて制限されるものではなく、単一
周波数レーザ光源のスペクトルバンド幅によつて
制限されるものである。したがつて、単一周波数
レーザのスペクトル純度を改良すれば、上述した
感度はそれぶ必要がある。 好ましい実施例の詳細な説明 この発明のフアイバ光学レーザは、フアイバ光
学共鳴器を利用する。第1図に示されているよう
に、この共鳴器は、単一モード光フアイバの連続
的な、中断のないストランド10を備えており、
このストランドは入力端部12、ループ部分1
4、および出力端部16をもつている。ループ部
分14の両端において、フアイバ12がこれと光
学的に結合しており、この結合は一方の側にポー
ト1および2を、他方の側にポート3および4を
持つた、フアイバ光学エバネセントフイールド4
ポート方向性結合器20によつて行なわれる。フ
アイバ12の一端から他端へとたどつて行くと、
フアイバ10は最初にポート1および3を、そし
てポート2および4を通過する。これによつて、
ループ14がポート3および2から延び、一方、
入力部分12はポート1から延び、そして出力部
分16はポート4から延びていることになる。 入力フアイバ部分12に光を入れて、ループ部
分14を通して回転させるために、レーザ光源2
2を用いている。この光源22はTropel mode
1200He−Neガスレーザのような、単一周波数
の、コヒーレンス長の長い、連続波レーザ24を
備えている。このレーザは632.8nmの波長と、1
キロメートルを十分越えるコヒーレンス長とをも
つた単一周波数光を発生する。 レーザ24からの光を集光してフアイバ部分1
2の中に入れるために、レンズ26を用いること
ができる。これに加えて、レーザ24とレンズ2
6との間に、偏光子30および4分の1波長板3
2を備えた光学的アイソレータ28を挿入し、レ
ンズ26およびフアイバ部分12から反射した光
がレーザ24に入つて、その動作を妨害するのを
防止してもよい。 実施例において示した共鳴器においては、フア
イバ10はITT単一モードフアイバを備えてお
り、このITT単一モードフアイバはコア直径4
ミクロン、有効コア面積1.6×10-7cm2、有効反射
率1.46、および吸収8.3db/Kmをもつたものであ
る。ループ14はループ14の中でのフアイバ複
屈折を補償するための偏光コントローラ40を含
んでおり、それによつて、結合器20のポート2
における回転する光は実質的にポート1における
レーザ光源22からの光と同じ偏光を持つことに
なる。 偏光コントローラ40および結合器20は、バ
ルク光学コンポーネントと区別される、フアイバ
光学的なものである。 結合器20 共鳴器において、結合器として用いることので
きる好ましいフアイバ光学方向性結合器は、1980
年3月29日に発行されたエレクトロニクス レタ
ーズ(Electronics Letters)第16巻、第7号、
第260頁から第271頁において記載されている。 第2図に示されているように、この結合器は、
単一モードフアイバ光学材料の2つの典型的なス
トランド50Aおよび50Bを含んでおり、これ
らはそれぞれ溝52Aおよび52Bの中に縦に取
付けられている。この溝52Aおよび52Bは、
それぞれ矩形のベースすなわちブロツク53Aお
よび53Bの光学的に平坦な相対する表面に形成
されている。溝52Aの中にストランド50Aが
取付けられたブロツク53Aを結合器の片側51
Aと呼び、溝52Bの中にストランド50Bが取
付けられたブロツク53Bを結合器の片側51B
と呼ぶことにする。 アーチ状の溝52Aおよび52Bは、フアイバ
50の直径に比べて非常に大きな曲率半径をも
ち、またフアイバの直径よりも少し大きな幅をも
つことによつて、フアイバ50をその中に取付け
たときに、溝52の底壁によつて定められる経路
に固定されるようになつている。溝52Aおよび
52Bの深さは、ブロツク53Aおよび53Bの
中心部分における最小値から、ブロツク53Aお
よび53Bのエツジにおける最大値まで、それぞ
れ変化している。これは、フアイバ光学ストラン
ド50Aおよび50Bをそれぞれ溝52Aおよび
52Bの中に取付けたとき、これらが中心部分に
向かつて緩やかに集まり、ブロツク53A,53
Bのエツジに向かつて緩やかに広がるこことによ
つて、モードの摂動を通して損失を発生すること
がある、フアイバ50の方向におけるどのような
鋭い湾曲や急激な変化をも防止することができる
という利点をもつている。溝52は断面が矩形と
なつているが、この代わりに、たとえばU形の断
面やV形断面といつた、フアイバ50にとつて都
合の良い、他の適当な断面の輪郭を持つていても
よいことが理解されよう。 ここに示されている実施例においては、ブロツ
ク53の中心部分において、ストランド50を取
付ける溝52の深さはストランド50の直径より
も小さくなつており、一方、ブロツク53のエツ
ジにおいて溝52の深さは好ましくは少なくとも
ストランド50の直径と同じ程度となつている。
ストランド50Aおよび50Bからは、たとえば
ラツピングによつて、フアイバ光学材料が取り除
かれており、これによつてそれぞれが楕円形の平
坦な表面を持つが、この平坦な表面はブロツク5
3A,53Bの相対する表面と同一平面上に存在
することになる。ここではこの、フアイバ光学材
料が取り除かれた楕円形の表面を、フアイバ“対
向表面(facing surfaces)”と呼ぶことにする。
したがつてフアイバ光学材料を取り除く量は、ブ
ロツク53のエツジの方向におけるOから緩やか
に増大し、ブロツク53の中心部分の方向で最大
値となる。フアイバ光学材料を先細に取り除くこ
とによつて、フアイバが緩やかに狭くなり、ま
た、広くなることによつて、後方反射と光エネル
ギの損失が過剰になることを防止することができ
る。 ここに示した実施例においては、結合器の片側
51Aおよび51Bは同一のものであつて、ブロ
ツク53Aおよび53Bの表面が互いに相対する
ように設置し、ストランド50Aおよび50Bの
対向表面が対向する関係をもつように並べること
によつて組立てられる。 屈折率整合オイルのような屈折率整合物質(図
示せず)を、ブロツク53の相対する表面の間に
配置する。この物質は、クラツドの屈折率とほぼ
等しい屈折率をもつているとともに、光学的に平
坦な表面が互いに永久的にロツクされてしまうこ
とを防止するという機能をも果たすものである。
このオイルは、毛細管作用によつてブロツク53
の間に入れられる。 相互作用領域54はストランド50の接合部に
形成されるが、ここではエバネセントフイールド
結合によつてストランドの間で光が伝送される。
適当なエバネセントフイールド結合を保証するた
めには、ストランド50のコア部分の間の距離
が、予め定められた“臨界ゾーン”の中に入つて
いるように、フアイバ50から取り除かれる材料
の量を注意して制御しなければならないというこ
とが判明している。このエバネセントフイールド
はクラツドの中に向かつて広がり、それらのそれ
ぞれのコアの外側では距離が大きくなるとともに
急速に減少する。このため、それぞれのコアが実
質的に他方のエバネセントフイールドの中にある
ようにするためには、十分な量の材料を取り除く
必要がある。取り除く量が少なすぎる場合には、
コアの間の接近が十分でなく、エバネセントフイ
ールド結合により、ガイドされたモードの間の所
望の相互作用が得られず、その結果、結合が不十
分となる。逆に、取り除く量が多すぎる場合には
フアイバの伝播特性が変わつて、モード摂動に起
因する光エネルギの損失が起こる。しかしなが
ら、ストランド50のコアの間の距離が臨界ゾー
ン内にあれば、それぞれのストランドは、他のス
トランドからのエバネセントフイールドエネルギ
の有意な一部分を受取ることにより、エネルギ損
失が問題となることなしに良好な結合を達成する
ことができる。この臨界ゾーンは、フアイバ間の
結合が達成されるような、すなわちそれぞれのコ
アが他のエバネセントフイールドの中にあること
になるような十分な強さで重なる領域を含んでい
る。しかしながら、前に示したように、コアの間
があまりにも接近しすぎると、モード摂動が発生
してしまう。たとえば、弱くガイドされたモード
たとえば単一モードフアイバの中のHE11モード
に対しては、このようなモード摂動は、フアイバ
50から十分な物質が取り除かれてそれらのコア
を露出したときに発生するものと考えられてい
る。このため、臨界ゾーンは、エバネセントフイ
ールドが十分な強さで重なり合うが、実質的なモ
ード摂動によつて誘起されるパワー損失は生じな
いような結合を発生させる領域として定義され
る。 特定の結合器に対する臨界ゾーンの範囲はフア
イバ自身のパラメータや結合器の幾何学的な形状
などのような、互いに関係をもつた多くのフアク
タに依存している。さらにステツプインデツクス
断面をもつ単一モードフアイバに対しては、この
臨界ゾーンは非常に狭いものとなることが可能で
ある。ここに示したタイプの単一モードフアイバ
結合器においては、結合器の中心部におけるスト
ランド50の間の中心間距離は、典型的にはコア
の直径の数倍(たとえば2−3倍)よりも小さい
ものが要求される。 好ましくは、ストランド50Aおよび50B
は、(1)互いに同一のものであり;(2)相互作用領域
54において同じ曲率半径をもち、そして;(3)そ
れからは等量のフアイバ光学材料が取り除かれて
それぞれの対向表面を形成している。したがつ
て、フアイバ50は、相互作用領域54を通して、
それらの対向表面で対称的なものとなつており、
このため、それらの対向表面は、重ねられたとき
に同一の広がりをもつている。これによつて2つ
のフアイバ50Aおよび50Bは相互作用領域5
4において同じ伝播特性をももつことになり、そ
れによつて、伝播特性が異なつている場合に生ず
る結合吸収を防止することができる。 ブロツクすなわちベース53は、適当な剛性材
料であればどのようなものから作られていてもよ
い。ここでの好ましい実施例では、ベース53
は、約1インチの長さ、約1インチの幅そして約
0.4インチの厚さをもつた、溶融石英ガラスの矩
形ブロツクを一般に備えている。この実施例で
は、フアイバ光学ストランド50はエポキシ接着
剤のような適当な接合剤によつてスロツト52の
中に固定されている。溶融石英ガラスブロツク5
3を用いることの利点のうちの1つは、それがガ
ラスフアイバと同様の熱膨張係数をもつているこ
とであり、この利点は、ブロツク53とフアイバ
50とが、製造プロセスの間において少しでも熱
処理を受ける場合には、特に重要なものである。
ブロツク53として適当な他の材料はシリコンで
あり、これもまた、この応用のための優れた熱的
性質をもつている。 第2図の結合器は、A,B,CおよびDと符号
を付けた4つのポートを含んでおり、これらはポ
ート1,2,3および4とそれぞれ対応してい
る。第2図を全体的に見ると、それぞれストラン
ド50Aおよび50Bに対応するポートAおよび
Bはこの結合器の左側にあり、一方、ストランド
50Aおよび50Bにそれぞれ対応するポートC
およびDはこの結合器の右側にある。以下の議論
の便宜上、入力光はポートAに与えられているも
のとする。この光はこの結合器を通つてポートC
および/またはポートDから出力されるが、この
出力はストランド50の間で結合されるパワー量
に依存している。これに関して、“結合定数”を、
全出力パーに対する結合されたパワーの比として
定義する。上述した例では、この結合定数は、ポ
ートCおよびDにおけるパワー出力の和に対する
ポートDの出力の比に等しくなるであろう。この
比はまた、“結合効率”とも呼ばれ、この用語を
用いる場合には通常パーセントで表現される。し
たがつて、“結合定数”なる用語をここで用いる
場合には、これに対応する結合効率は、この結合
定数を100倍したものと等しくなるものと考えな
ければならない。たとえば、結合定数が0.5であ
るということは、結合効率が50%であるというこ
とと等価である。 この結合器は、ブロツク53の対向表面のオフ
セツトを行なうことによつて、結合定数を“調
整”し、0から1.0までの間のどのような所望の
値にも“調節”することができる。このような調
整は、ブロツク53を互いに水平方向に滑らせる
ことによつて行なうことができる。 この結合器は高い方向性をもつており、結合器
の1つの側に加えられたパワーのほとんどすべて
が結合器の他の側に伝えられる。すなわち、入力
ポートAに加えられた光のほとんどすべてはポー
トCおよびDに伝えられ、ポートBへの逆方向結
合は発生しない。同様に、ポートBに加えられた
光のほとんどすべてはポートCおよびポートDへ
と伝えられる。さらに、この方向性は対称的であ
つて、ポートCおよび入力ポートDのうちのいず
れかに加えられた光のほとんどすべてはポートA
およびBへと伝えられ。その上、この結合器は偏
光状態に対する区別をほとんど行なわないため、
光の偏光状態を保存する性質をもつ。したがつ
て、たとえば、垂直偏光の光ビームがポードAに
入力した場合、ポートAからポートCへと直進し
た光と同様に、交差結合によつてポートAからポ
ートDへと進む光の垂直偏光を維持している。 1つのフアイバから他のフアイバへと交差結合
した光は、+π/2の位相のずれを受けているが、
交差結合していない光はこの結合器を通つて伝播
する間に位相がずれることはない。このため、た
とえば光がポートAに入力すると、ポートDにお
ける交差結合を行なつた光はπ/2だけ位相が進
み、一方、ポートCへと直進する光の位相は変化
していない。 この結合器はまた、低損失デバイスであつて、
典型的には2−3パーセントの挿入損失すなわち
通過損失をもつのみである。ここで用いる“挿入
損失”とは、この結合器を一端から他端へと通過
する光が現実に散乱を受けて被る損失のことをい
う。たとえば、ポートAに光が与えられ、この光
の97%がポートCおよび(結合された)ポートD
へ到達する場合には、この挿入損失は0.03(3%)
となる。“結合器伝送”という用語は1から挿入
損失を差し引いたものとして定義される。したが
つて、挿入損失が0.03(3%)であれば、結合器
伝送は0.97(97%)となる。 偏光コントローラ40 第1図の偏光コントローラ40として用いるの
に適した偏光コントローラの1つのタイプが、
1980年9月25日に発行されたエレクトリツク レ
ターズ第16巻、第20号、第778頁から第780頁に記
載されている。 第3図に示されているように、このコントロー
ラはベース70およびこの上に設置された複数の
直立ブロツク72Aないし72Dを含んでいる。
ブロツク72のうちの隣接したブロツクの間に
は、スプール(spool)74Aないし74Cが、
それぞれシヤフト76Aないし76Cの上に沿つ
て設置されている。このシヤフト76は互いに1
つの軸に沿つて配列されており、ブロツク72の
間で回転可能に取付けられている。スプール74
は、一般的に円筒形であつて、シヤフト76に沿
つて位置決めされ、スプール74の軸はシヤフト
76の軸に直角となつている。フアイバの部分1
4(第1図)は、シヤフト76の軸の内孔に沿つ
て延びており、スプール74のそれぞれのまわり
に巻かれて3つのコイル78Aないし78Cを形
成している。コイル78の半径は、フアイバ14
が押し付けられてコイル78のそれぞれにおいて
複屈折媒体を形成するように定められる。この3
つのコイル78Aないし78Cは、シヤフト74
Aおよび74Cの軸のまわりで互いに独立に回転
して、フアイバ14の複屈折を調節し、それによ
つて、フアイバ14を通過する光の偏光を制御す
ることができるようになつている。 コイル78での巻回の直径および巻数は、外側
のコイル78Aおよび78Cが4分の1波長の空
間的な遅延を与え、一方、中央のコイル78Bが
2分の1波長の空間的な遅延を与えるように定め
られる。4分の1波長コイル78Aおよび78C
は偏光の楕円性を制御し、2分の1波長コイル7
8Bは偏光の方向を制御する。これによつて、フ
アイバ部分14を通つて伝播する波の偏光状態を
全範囲で調節することができる。しかしながら、
この偏光コントローラを変形して、2つの4分の
1波長コイル78Aおよび78Cのみとしてもよ
いことがわかるであろう。それは、(そうでない
場合に中央のコイル78Bで与えられる)偏光の
方向は、2つの4分の1波長コイル78Aおよび
Cを用いて、偏光の楕円性を適当に調節すること
を通して、間接的に制御することもできるからで
ある。このため、第1図に示した偏光コントロー
ラ40は、2つの4分の1波長コイル78Aおよ
び78Cのみを含んでいる。このような配置をす
ることによつてコントローラ40の全体的なサイ
ズを小さくすることができるため、空間的に制限
されているような特定の用途に、この発明を適用
するときには、有利となろう。 したがつて、フアイバ部分14を通つて伝播す
る光の偏光状態を確立し、維持し、そして制御す
る手段が偏光コントローラ40によつて与えられ
ることになる。 共鳴器の動作 再び第1図を参照すると、その動作において、
光源22からフアイバ部分12へと入つた光は、
結合器20のポート1へ伝播し、ここでこの光の
一部分がポート4へと結合するとともに、光の他
の部分はポート3へと伝播する。ポート4におけ
る光はフアイバ部分16を通つて伝播し、そし
て、フアイバ10の終端から出る。ところが、ポ
ート3における光はループ部分14を通つて再び
ポート2からこの結合器に入る。この部分はポー
ト3に結合しており、一方、残りの部分はポート
4に伝播してフアイバ部分16を通つてゆく。ル
ープ14と結合器20は共働して共鳴空洞を与
え、ポート2で結合器に入る光は、レーザ光源2
2から入つてくる光と干渉を起こす。このような
干渉はポート3において強め合いを生ずるが、一
方、ポート4では弱め合いを生じさせ、それによ
つて共鳴空洞ループの中での光の確立が生ずる。 以下、光源22からの光であつて、フアイバ部
分12を通つて伝播する光を入力信号波Wiと呼
び、一方、ポート4から出てフアイバ部分16を
通つて伝播する光を、出力信号波Woと呼ぶこと
にする。ループ部分14の中を回転している光は
回転波Wcと呼ぶ。 回転波Wcはループ14のまわりをポート3か
ら2へと伝播するため、そのパワーの一部分は伝
送損失によつて失われる。“フアイバ伝送損失”
という用語は、光がフアイバを通つてポート3か
らポート2へと伝播する間に生ずる部分的な損失
として定義する。ここに示す実施例では、フアイ
バ伝送損失は完全にフアイバ吸収の関数であつ
て、ポート2における波Wcのパワーすなわち強
度は、ポート3における波Wcのパワーに、exp
(−2α0L)を掛けたものに等しい。ここで、Lは
光が回転しているループ14の経路長であつて、
結合器20での位相のずれは除外してあり、ま
た、α0は、フアイバ10の振幅吸収係数である。
このフアイバループの中に他の付加的なコンポー
ネント(たとえばフアイバ光学偏光子)を設置す
る場合には、このコンポーネントに起因する損失
を、フアイバ伝送損失の定義の中に含めることに
なる。また、“フアイバ伝送”なる用語は、ポー
ト2における回転波パワーをポート3における回
転波のパワーによつて割算したものとして定義す
る。他の方法で説明すれば、これは、ポート3か
らのパワーのうちポート2へ到達する部分の量で
ある(すなわち、フアイバ伝送=1−フアイバ伝
送損失)。 フアイバ伝送損失によつて吸収されることに加
えて、この回転波Wcは、結合器20を通るそれ
ぞれの経路における結合器挿入損失のために若干
弱められる。さらに、入力波Wiのパワーすなわ
ち強度は、結合器20を通つて伝播する間に、結
合器挿入損失による損失を受ける。これに関し
て、結合器20を、結合定数とは独立の、加算さ
れて1つとされた挿入損失(γ0)をもつた無損失
デバイスとしてモデル化することができる。結合
器挿入損失と結合20の4つのポートのそれぞれ
における複素振幅との関係は次の式のようにな
る; |E32+|E42=(1−γ0) (|E12+|E22) (1) 但し;E1,E2,E3およびE4はそれぞれ、結合
器ポート1,2,3および4における複素電界振
幅であり;γ0は結合器挿入損失(典型的には2%
から10%のオーダ)である。 ポート3およびポート4における複素振幅は、
ポート1およびポート2における電界振幅と次の
関係にある: E3=(1−γ01/2(1−K)1/2E1 +j√E2 (2) および E4=(1−γ01/2j√E1 +(1−K)1/2E2 (3) 但し、Kは強度結合定数である。K=0では結
合は全く存在せず、K=1では完全結合が存在し
ていることに対応している。E2およびE3との間
には、さらに、次のような関係がある; E2=E3e-0 LejBL (4) 但し; β=nω/C (5) であり;α0はフアイバの振幅吸収係数;Lはフア
イバループ部分14の長さ;nはフアイバの有効
屈折率;ωは光の周波数;βはフアイバ10の伝
播定数;そして、cは光速である。 共鳴を完全に行なわせるためには、出力波Wo
は0でなければならず、このため、比E4/E1
0でなければならない。したがつて、第2式、第
3式および第4式を解いて、E4/E1をγ0,K,
α0LおよびβLで表わし、E4/E1を0と置くと、
ループの長さLおよび結合定数Kについて書かれ
た共鳴条件が得られる。共鳴に必要な条件のうち
の1つは; βL=q2π−π/2 (6) であり、ここでqは任意の整数である。 このため、完全な共鳴を生じさせるためには、
結合器20による位相のずれを除いたループ14
のまわりでの全位相遅延(βL)は、2πラジアン
の整数倍からπ/2だけ小さくなつていなければ
ならない。 第2式および第3式によつて、方向性結合器2
0は+π/2の位相のずれをもつていることに注
意されたい。この位相のずれを第6式のβLに加
えることにより、ループ14を通る(たとえば、
このループの任意の点からループを回つて、この
任意の点まで戻る)際に回転波Wcに蓄積される
全位相はq(2π)に等しくなることがわかるであ
ろう。以下の議論から理解されるように、このル
ープの長さはこの共鳴器が組立てられた後に、こ
の共鳴条件を満足するように調節することができ
る。これは、フアイバ14が巻かれている電気的
に駆動されるPZTシリンダを用いてフアイバ1
4を機械的に伸長させることによつてなされる。 第6式で特定される共鳴条件は第4図を参照す
ることによつてより完全に理解できるであろう。
第4図は、結合器20のπ/2の位相のずれをう
まく利用して、ポート3における強め合いの干渉
と、ポート4における弱め合いの干渉とを生じさ
せる方法を示している。議論の便宜上、結合器2
0は、結合器20の中心部分における有効結合点
と、この点から波長の整数倍だけ離れて隔てられ
たポート1,2,3および4を持つものとして示
される。ループの長さ(L)はこの結合点からル
ープ14を回り、この結合点に戻る距離として見
ることができる。この距離は、qを整数として、
(q−1/4)波長でなければならない。 第4図において、入力信号波Wiは位相Oをも
つた基準波であり、他のすべての波(すなわち
WcおよびWo)の位相は、この入力波Wiに対し
て相対的に定められるものと仮定する。さらに、
結合器20を通つて伝播するすべての波を2つの
成分、すなわち、添字cで示される“交差結合”
成分と、添字sで示される“直通”成分とに分け
ることにする。このため、入力波Wiは、ポート
1からポート4へと伝播する交差結合成分Wic
と、ポート1からポート3へと伝播する直通成分
Wisとに分けられる。同様に、波Wcはポート2
からポート3へと伝播する交差結合成分Wccと、
ポート2からポート4へと伝播する直通成分Wcs
とに分けられる。 光源22がt=0においてターンオンしたとす
れば、入力波Wiが結合器20のポート1に位相
0で入り、その中を伝播する。交差結合成分Wic
はポート4に伝播する間に+π/2の位相のずれ
を受け、一方、直通成分Wisはポート3に伝播す
る間にその位相は変化しないままとなつている。
したがつて、ポート3における光波Wcはその位
相が0である。この波Wcはそれからループ14
を回つて伝播し、ポート2へと向かう。ループの
長さLを第6式に従つて選んだ場合、波Wcはポ
ート2に到着したとき−π/2の位相をもつこと
になる。波Wcが結合器20を通つて伝播する間
に、交差結合成分Wccは+π/2だけ位相がずれ
て、これがポート3に到着したとき、その位相は
入力波成分Wisの位相と同様に0である。したが
つて、回転波成分Wccはポート3において入力波
成分Wisと強め合うように干渉し、それによつて
ポート3における回転波Wcの強度は増大するこ
とになる。他方、回転波Wcの直通成分Wcsはそ
れがポート2からポート4へと伝播する間に位相
が変化することはなく、そのため、ポート4にお
いてもその位相はなお−π/2のままとなつてい
る。このため、この成分Wcsは、+π/2の位相
をもつた交差結合入力波成分Wicと弱め合うよう
に干渉する。 その結果として、波Wcがループ14を通つて
回転すると、これはポート3において入力信号波
Wiと強め合うように干渉し、そしてポート4に
おいてそれと弱め合うように干渉し、それによつ
て第5図に示すように平衡値Pc(eq)に達するま
で、ループ14を回転する波のパワー(強度)
Pcを緩やかに(そして漸近的に)確立させる。
このような波が平衡値の63%(すなわち、1−
e)まで確立するに要求される時間は空洞成長時
間(Tc)として定義され、また、一般的に空洞
遅延時間とも呼ばれる。 平衡値において完全な共鳴を達成し、そしてポ
ート4において出力パワーが0となるためには、
第2の条件が満足されなければならない。すなわ
ち、ポート4における直通回転波成分Wcsはポー
ト4における交差結合入力信号成分Wicの振幅に
等しい振幅をもつていなければならないのであ
る。こういう状況を発生させるためには、結合定
数Kを値Krに調節することになるが、この値を
以下“共鳴結合定数”と呼ぶことにする。第2
式、第3式および第4式をE4/E1について解き、
E4/E1を0と置く(これは共鳴条件である)こ
とによつて、この共鳴結合定数Krは次のように
なる; Kr=(1−γ0)exp(−2α0L) (7) ここに示す実施例においては、この結合伝送は
(1−γ0)であり、フアイバ伝送はexp(−2α0L)
である。したがつて、 Kr=結合伝送×フアイバ伝送 (8) となる。 開示した実施例においては、フアイバ吸収は
8.3dB/Km、ループ14は10メートル、そして
0Lは632.8nmの波長において0.0158に等しくな
る。結合器挿入損失が1.8%であるため、共鳴結
合定数は0.967となる。 第7式によつて特定される共鳴結合定数を用い
ると、第2式、第3式および第4式によつて回転
パワー(強度)および出力パワー(強度)は入力
パワーによつて正規化された値として: |E3/E12=Pc(3)/Pi=(1−γ0)(
1−Kr)/(1+Kr)2−4KrSin2(βL/2−π/4)(
9) |E4/E12=Po/Pi=(1−γ0)〔1−(1−Kr)
2/(1+Kr)2−4KrSin2(βL/2−π/4)〕(10) となる。ここでPc(3)はポート3における回転波
Wcのパワー(強度)であり;Piは入力信号波Wi
のパワー(強度)であり;そしてPoはポート4
における出力波Woのパワー(強度)である。 βLを、第6式によつて特定される共鳴条件を
満足するよえに選べば、第9式は: |Pc/Pi|nax=1−γ0/1−Kr (11) となる。この方程式は次のように書き換えること
ができる。 Pi=Pc(1−Kr)+Piγ0 (12) 第6式が満足されている場合には、(1−Kr)
は回転波Wcの周回部分強度損失(すなわち、結
合器挿入損失+フアイバ伝送損失)と等しくな
る。このため、第12式の右辺は結合器20および
ループ14において散逸された全パワーを表わす
ことになる。その結果、第12式からわかるよう
に、完全な共鳴状態では、回転パワーPcは、ル
ープおよび結合器において散逸される全パワーが
ポート1における入力パワーPiに等しくなるよう
なものとなつている。 それぞれ第9式およぴ第10式によつて特定され
る正規化された理論的な回転パワーおよび出力パ
ワーはそれぞれ第6図および第7図において、2
つの典型的な結合器挿入損失の値すなわち5%お
よび10%に対して、βLの関数として示されてい
る。これらの曲線はループの長さが3メートル
(2α0L=0.0057)である場合についてのものであ
るが、ループの長さが10メートルである場合にお
いても同様な曲線が描かれるものであるというこ
とを理解できるであろう。第6図に示されている
ように、回転パワーPcは結合器挿入損失に強く
依存し、10%の挿入損失に対して入力パワーPiの
約9倍であり、5%の挿入損失に対しては入力パ
ワーPiのほぼ19倍となる。これとは対照的に、出
力パワーPoは第7図に示すように、このどちら
の場合においても完全な共鳴状態において0へと
減少する。しかしながら、第6図および第7図の
最小値および最大値は挿入損失が減少するに従つ
て鋭くなり、空洞フイネス(finesse)は結合器
挿入損失に強く依存するものであることを示して
いる。 この空洞フイネス(F)は次の式で定義され
る。 F=FSR/δf (13) 但しFSRは共鳴空洞の自由スペクトルレンジ
(すなわち、最小値(第7図)または最大値(第
6図)の間の距離)であり;そして、δfは最大回
転パワーの2分の1(すなわち完全な共鳴におけ
る2分の1のパワー)での回転パワー最大値(第
6図)の幅である。この自由スベクトルレンジ
(FSR)は次のように定義することができる。 FSR=C/nL (14) 第9式を|Pc(3)/Pi|maxの2分の1と等し
いと置くことによつて、最大値の半分における全
幅は次のようになる: δf=C/nL{1−2/πSin-1〔1−(1
−Kr)2/4Kr〕1/2}(15) Krが1に近い値であるときには、wは次のよ
うに近似することができる: この近似は0.8より大きなKrに対してその誤差
は0.2%以内となつている。 第14式と第16式とを第13式に代入することによ
つて、空洞フイネスは次のようになる: 共鳴結合定数(Kr)は結合器伝送およびフア
イバ伝送の積に等しく、このため(1−Kr)は
ループ14のまわりでの全部分損失に等しくなる
ということが、第8式から思い出されよう。第17
式から、これらの部分損失が減少するに従つてこ
のフイネスが増大するということがわかるであろ
う。したがつて、このフイネスは損失に強く依存
し、そして結合器挿入損失またはフアイバ伝送損
失のうちのいずれかまたはその両方が減少するこ
とによつて、増大することになろう。ここに示し
た実施例においては、このフイネスは約80であ
り、ループ14の長さが10メートルに対する自由
スペクトルレンジは約20.6MHzである。 最後に、第5図に戻つてこれを参照すると、空
洞成長時間Tcは次のように近似することができ
る: Tc=nL/C/2(1−Kr) (18) 共鳴効果を発生するためには、レーザ光源20
にはc×Tcよりも大きなコヒーレンス長をもつ
ていなければならない。 第8図を参照すると、第9式および第10式によ
つて予想される共鳴効果が、フアイバ部分16の
端部において出力波Woの光学的パワー(強度)
を測定する検出器80を与えることによつて観測
することができる。検出器80はライン82の上
に電気信号を出力し、この出力は出力波Woの光
学的強度に比例するものである。このライン82
はオシロスコープ84に接続されてこの信号を入
力させる。三角波発生器86からの信号がライン
88上でこのオシロスコープ84に与えられ、ま
たライン92の上で位相変調器90に与えられ
る。特別の例として、この位相変調器は3インチ
の直径をもつたPZTシリンダを備えており、こ
のまわりにフアイバループ14の部分が26回だけ
巻回されている。三角波発生器86からの信号は
PZTシリンダ90を駆動してこれを放射方向に
広げ、そのため、フアイバ14は直線的に伸長し
て、発生器86の周波数でフアイバの長さ(L)
を周期的に変化させることになる。この配置で
は、このフアイバ共鳴器の振舞いは、走査フアブ
リーペロー干渉計の振舞いに幾分似たものとなつ
ている。 第9図は、光学的出力パワー(Po)を表わす
検出器電流96と、位相変調器90によつて伸長
されたフアイバの伸長量を表わす三角波発生器信
号98とのオシロスコープの軌跡を示す図であ
る。信号98によつて与えられるフアイバの伸び
の量は波長よりも若干大きくなつており、このた
め第9図に示す出力パワーはフアイバの直線的な
伸長のそれぞれの間において2度ほど0まで落ち
る。結合定数を共鳴結合定数Krから少し変化さ
せると、フイネスが減少し、曲線96の最小値に
おいて0ではない出力パワーが観測される。 フアイバループ14の中で光の偏光状態を維持
すること、たとえば偏光コントローラ40を用い
ること、の重要性は、第10図に示されており、
この図では偏光コントローラ40の4分の1波長
ループを最適位置から遠くに回転して移動させた
場合について示している。この中で示されている
ように、2つの独立な偏光モードに対応する2つ
の共鳴モードが観測されている。この2つのモー
ドは伝播速度が少し異なつているために異なつた
走査位置において共鳴している。この共鳴モード
のそれぞれは0ではない出力パワーをもつている
が、これは、1つのモードが共鳴しており他のモ
ードは共鳴していない場合には、共鳴していない
モードの出力パワーがどちらかのモードの共鳴点
において観測されるからである。 音響センサとしての動作 上述した共鳴器によつて、フアイバループに入
射する音響波の周波数と強度とを検出する高感度
の音響センサを与えることができる。音響波の波
面がフアイバループ14に当たると、このループ
の長さは波面の周波数および強度と同じ形で変調
される。ループの長さがこのような変調を受ける
ことによつて、ループ14を通つた全周回位相遅
延もまた同時に変調を受ける。フアイバループの
空洞が少なくとも部分的に共鳴していれば、この
周回位相遅延における変調によつて、出力信号
Woの光学パワーもまたこれに応答して変調され
る。したがつて、出力波Woにおける強度のゆら
ぎを検出することによつて、音響波の強度と周波
数とを確認することができる。 光フアイバループの長さは音響波のみでなく、
他の環境効果特に温度および振動に対しても感度
をもつている。しかしながら、温度や振動によつ
て誘起されたループの変化は、音響バンドの周波
数に比べて低い周波数となつている傾向にある。
このため、この発明のセンサは変調された出力パ
ワーの低周波成分を検出してこれらの成分をフイ
ードバツクループを通してフアイバループ14の
長さを機械的に変化させ、温度や振動によつて誘
起されたループの長さの変動を補償してこのよう
な変動が音響周波数信号の検出に影響を与えない
ようしている。 第11図に示したように、この発明のセンサは
フアイバ部分16の終端において出力波Woの光
学的パワーを検出するための検出器110を含ん
でいる。この検出器110はライン112の上に
電気信号を出力するが、この信号は出力波Woの
光学的強度に比例したものとなつている。このラ
イン112は安定化電子回路114に接続されて
この信号をこの回路に入力させる。この信号に応
答して、安定化電子回路114はライン116の
上に、フアイバループ114の中のPZTシリン
ダ118を駆動する信号を出力する。安定化電子
回路114からの信号はPZTシリンダ118を
駆動してこれを放射方向に広げ、そして、フアイ
バ14を直線的に伸長させてフアイバループ14
の長さを変化させる。特定の例においては、この
PZTシリンダは直径3インチであつて、このま
わりにフアイバループ14の位置部分が26回巻か
れている。 要するに、安定化電子回路114は、検出器電
流の低周波成分を通過させ、そしてPZTシリン
ダ118を駆動してフアイバループをこのような
成分に比例した量だけ伸長させる帯域フイルタを
与えていることになる。これはたとえば温度のゆ
らぎによつて発生する低周波ドリフトに対して、
ループ14のまわりの全集積周回位相遅延の安定
化を行なう。 この安定化電子回路114は、ライン112の
上の電流を電圧へと返還するためのインピーダン
ス変換増幅器(演算増幅器)120を含んでい
る。この電圧はライン112へ出力されて信号プ
ロセツサ124へと向かうが、この信号プロセツ
サは音響レコーダ、ラウドスピーカまたは記録紙
レコーダのような、感知された音響波の波形をデ
イスプレイしまたはプリントする。デイスプレイ
または記録ユニツトを備えていてもよい。ライン
122はまた低域フイルタ126に接続されて接
続されてこの信号をこのフイルタへと与えるが、
このフイルタは約10KHzよりも大きな周波数をブ
ロツクする。このフイルタ126の唯一の目的
は、PZTシリンダが共鳴することを防ぐことで
あり、それは、実施例において示すように、この
シリンダが約25KHzの共鳴周波数をもつているこ
とに起因している。低域フイルタ126からの出
力はライン128の上に与えられ、差動増幅器1
30へと向かう。この差動増幅器はライン128
の上の電圧を、ライン132によつて増幅器13
0へと入力する基準信号と比較し、誤差信号を与
える。この差動増幅器130はこの誤差信号をラ
イン134によつて積分器136に出力する。こ
の積分器はライン116の上に信号を出力して
PZTシリンダ118を駆動する。この基準電圧
の調整を通して、このPZTシリンダ118がバ
イアスされて、ループ14がたとえば最高+/−
20ラジアンの位相遅延を与えるレンジの中で伸長
されまたは短縮されるように動作する。この積分
器136は、低周波数に対して、利得における選
択的な応答を与える活性的な低域フイルタであ
る。この利得は音響周波数に対しては無視できる
ものであつて、誤差信号の周波数が減少するに従
つて直線的に増大する。したがつて、安定化電子
回路114は検出器電流の低周波ドリフト成分に
応答してPZTシリンダ118を駆動し、温度や
振動のような環境周囲効果によつて引き起こされ
るループの長さの変化を補償する。 この音響センサの動作は、ループの長さにおけ
る変化に応答して変化する、光学出力波Woの振
舞いを解析することによつてより完全に理解され
よう。このことに関しては、フアイバループ14
のまわりの全位相遅延によつて第10式を書き換え
ることが助けとなろう。ここでは、位相遅延はφ
と呼ぶことにする。したがつて: Po(φ)=Pnaxf(φ) (19) 但し: Pnax=η(1−γ0) (20) f(φ)=1−Sin2(φ/2)/1−ηSin2(φ/2
)(21) η=4Kr/(1+Kr)2 (22) 以下に用いる項Poは、入力波Wiの強度によつ
て正規化された(すなわち、0から1.0の間で正
規化された)出力波Woの強度を示すものとして
理解してほしい。さらに、符号Pmaxは出力波
Woの最大出力パワー(強度)を(すなわち、ル
ープが共鳴していないときのポート4における光
学的パワーを)示すために用いる。 第12図に示したように、Po(φ)は2πの周期
でPmaxと0の間を変動する。f(φ)は、これ
と同じ周期で1から0の間で変動することに注意
されたい。Po(φ)の最大傾斜は: |dPo/dφ|nax=Pnax 1/2(η−1)Sinφ0/1−ηSin2(φ0/2)(
23) ここで、φ0はPo(φ)の最大傾斜の点に対応す
る全位相遅延であつて、これは、 φ0=cos-1{1/η−1/2−1/2√9 −4/η+4/η2} (24) に等しくなる。 ここで、第11図とともに第12図を参照する
と、ライン132の上の基準電圧は好ましくは、
PZTシリンダ118を駆動して、φoに対応する
位相遅延を与えるようなループの長さとするよう
に調整される。これによつて、共鳴器は出力パワ
ー曲線140の上の最大傾斜の点Zにおいて動作
する。この点Zにおける、ループ14のまわりの
全位相遅延φは波長の整数倍プラスまたはマイナ
スφoに等しい。ここに示した実施例において、
正規化された出力パワーPo(φ)の約0.24に対応
するこの動作点Zは、上述した安定化電子回路1
14によつて、低周波ドリフトに対し安定化され
る。 出力パワー曲線140の傾斜が急であるため、
この動作点Zからの位相の微小なずれによつて、
出力パワーにおいては実質的な変動が発生する。
さらに、出力パワー曲線140はこの動作点Zの
あたりでほぼ直線的であるため、微小な位相偏移
とその結果生ずる出力パワーにおける変動との間
には比例関係が存在する。たとえば、音響波によ
つて引き起こされたループの長さの変化が誘起し
た非常に小さい正弦的な位相偏移によつて、出力
パワーは動作点Zのあたりで検出可能な正弦的な
変調を受けることになる。たとえば、第13図に
示したように、感知された音響波がループ14の
長さを変調して、ループ14のまわりの集積位相
遅延がΔφによつて変調されると、この出力波Wo
はこれに対応してΔPoだけ変調される。第13図
においては単一の周波数をもつた、一定振幅の正
弦的な変調のみが示されているが、音響波の強度
および周波数がどのようなものであつても、この
出力波Woはそれに従つて変動するものであると
いうことが理解される。さらに、図示の目的で、
曲線140は固定されており、点Zは曲線140
を上下するものとされているが、実際には、曲線
140の全体は点Zが固定されたまま点Rのまわ
りでX軸に沿つて偏移するものであることを認識
されたい。曲線140のこのような偏移は、音響
波によつて誘起されたループの長さの変化によつ
て発生するものであり、それはループ14の表面
周波数の変化を引き起こす。 一般的に、このセンサの感度は出力パワー曲線
の傾斜の比例する。ここに示した実施例において
は、最大傾斜は約14ラジアン-1であつて、マツハ
−ツエンダー干渉計の最大傾斜1/2ラジアン-1
程度よるもかなり良い改良となつている。 最小検出可能位相偏移(すなわち、信号対雑音
比が1である場合の位相偏移)は次のように定義
できる。 Δφ=ΔTnoise{|dP/dφ|nax-1 ここで、ΔTnoiseはシステムの制限雑音から生
ずる(検出を含む)伝送雑音である。この式にお
いて、PmaxおよびΔTnoiseの双方は光検出器電
流の単位によつて測られており、0から1まで
の、正規化された伝送ではない。上に与えられた
値|dP/dφ|maxに対しては、この発明のセン
サにおいては、同じ制限雑音値(ΔTnoise)を仮
定した対応するマツハ−ツエンダー干渉計に比べ
て、理論的には最小検出可能位相偏移においてお
よそフアクタ30だけの改良が期待できる。テス
トを行なつてみると、この発明のセンサの内部で
の主な雑音源は、レーザの振幅雑音でも検出器の
シヨツト雑音および温度雑音でもなく、むしろ、
レーザ光源22からの周波数雑音であることが判
明した。たとえば、レーザ22が厳密に単色光で
なく動作点Zにおける周波数から変動する限り、
このレーザは音響周波数バンドを包含する周波数
雑音を発生することがある。したがつて、この周
波数雑音は検出されそしてフアイバループの長さ
に対する音響波誘起変動と誤つて解釈されること
もあり得る。所定のループの長さおよび自由スペ
クトルレンジにおいては、この周波数雑音は、光
学的出力波Woの中で検出されたとき、所定のル
ープの長さに対する出力パワー曲線140の傾斜
(dP/dφ)に比例した大きさをもつている。この
ため、雑音のこの特殊なタイプにおいては、信号
対雑音比は曲線140の傾斜に依存しない。この
ような雑音は、レーザ光源22の単色性を改善す
ることによつて減少させることが可能であると考
えられる。 レーザ周波数雑音によつて引き起こされる信号
対雑音比はdP/dφには依存しないが、この雑音
比はループの長さを短くして共鳴器の自由スベク
トルレンジを大きくすることによつて減少させる
ことができる。自由スペクトルレンジをこのよう
に大きくすることによつてはdP/dφに及ぼす効
果は小さいものであるが、fを周波数としたと
き、dP/dfにおいては有効な効果を生じさせる。
たとえば、共鳴器のフイネスを80としたとき、
位相を0.1πだけ変化させることは、約20MHzの自
由スペクトルレンジに対しては約1MHzの周波数
変化に対応し、自由スペクトルレンジが4MHzで
ある場合には周波数の変化は0.2MHzに対応する
ことになる。したがつて、20MHzの自由スペクト
ルレンジをもつループにおいては、レーザ周波数
雑音か同じ場合には、4MHzの自由スペクトルレ
ンジをもつループに比較して、レーザ周波数の雑
音に対して感度が低下することになる。この結
果、ループの長さを長くすることが重要であるよ
うな応用においては、コヒーレンス長の長い、高
い単色性光源が望ましい。しかしながら、雑音の
問題を少なくするためには、ループの長さはでき
るだけ短くしておいた方がよい。実際には、ルー
プの長さは、所望のダイナミツクレンジの中で光
学的出力信号が測定可能となることを補償するた
めに、感知される量にさらされる光フアイバの量
が十分となるように選ばれる。ここに示した実施
例においては、最大ダイナミツクレンジは0から
0.48(正規化されたパワー:第13図)となろう。
それは、動作点Zが曲線140の上で0.24(正規
化されたパワー)となつているからである。 第14図のグラフにおいては、周波数の関数と
しての安定化された干渉センサの応答の全体が示
されている。検出器110によつて測定された平
均出力パワーを、0から1の間で正規化して、Y
軸の上にプロツトしており、一方、感知された音
響波周波数がX軸の上にプロツトされて、応答曲
144を形成している。100Hzより下では、この
出力パワーは実質的に吸収されてしまう。それ
は、この周波数レンジにおいては、感知された音
響波波によつて引き起こされるループの変動は温
度ドリフトによるものと区別できないからであ
る。しかしながら、1KHzより上では、この吸収
は発生しない。したがつて、この発明のセンサは
1KHzより上での周波数に対して、平坦な応答を
もつている。しかしながら、温度ドリフトが問題
とならないような環境では、このような曲線14
4は安定化システムによつて吸収されることはな
く、このため、超低周波音響波をも感知すること
ができる。
BACKGROUND OF THE INVENTION This invention relates to fiber optical sensors, and relates to stabilized fiber, resonant ring interferometric sensors. Optical fibers are sensitive to a large number of environmental effects, such as acoustic waves and temperature fluctuations.
When environmental quantities act on an optical fiber, the amplitude, phase, and
Changes occur in the state of polarization, etc. This has led to increased interest in recent years in using fibers as sensor elements. Commonly used sensors include Mach-Zehnder and Sagnac interferometers. In these interferometers, the phase difference between the interfering light waves changes in response to changes in the sensed quantity, so it is necessary to detect the intensity of the light produced by such interfering waves. can determine the magnitude of the sensed quantity. Also, the detected intensity varies as a cosine function of the phase difference between the light waves. Typically, this interferometer is biased to operate at the point of maximum slope above such a cosine curve, and the sensed quantity is detected by measuring the fluctuation in intensity from this operating point. be done. However, the maximum slope of the cosine function is approximately 1/2 radian -1 when the peak-to-peak optical power is normalized between 0 and 1. This limits the sensitivity of such devices. Furthermore, since the cosine function has a strongly nonlinear nature in the region toward its minimum and maximum values, generally only a portion of this curve can be used as a linear measurement. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention comprises a fiber optical sensor comprising a single seamless strand of optical fiber having first and second ends and a loop portion therebetween. Contains. This loop is closed using a fiber optic coupler. A light source is used to provide a light wave at the first end, which propagates through the fiber to a second end.
reaches the end of the loop and provides an optical output signal, the intensity of which is dependent on the length of the loop. The circular phase delay of the light rotating through this loop is controlled by a phase retardation device to provide a resonant cavity for the rotating light. The fiber loop length is sensitive to first and second environmental effects, the first of which varies within a first frequency range and the second of which varies within a second frequency range. Varies within a frequency range. The phase delay device is driven by a stabilizing device to compensate for fiber loop length changes caused by the first environmental effect and to stabilize the output signal with respect to the first environmental effect. However, during such stabilization, the output signal remains sensitive to secondary environmental effects, such that the detector reduces the intensity in the output signal. is detected by measuring the variation in Preferably, the phase delay device provides a full round phase delay for the rotating light such that the sensitivity of the output signal to changes in loop length is at a maximum. The phase retardation device typically includes a mechanism for stretching the fiber, such as a PZT cylinder around which a portion of the fiber loop is wound. The stabilization device preferably includes an electronic circuit that drives the phase delay device with an electrical signal from the detector. In such a case, the electronic circuit filters the signal to pass frequency components within the first frequency range and effectively blocks frequency components within the second frequency range. In one preferred embodiment, the electronic circuit includes an integrator that selectively provides gain to signal components within a first frequency range. The device described above can be used in a method of sensing acoustic waves. This method involves forming a loop in an optical fiber and providing input light,
It involves propagating this light through a loop to provide an optical output signal. A fiber optic coupler is used to optically close the loop. The length of the loop, which affects the strength of the output signal, is chosen to provide a resonant cavity. Thermally induced loop length changes can be compensated for by stabilizing the output signal strength relative to the thermally induced changes. This output signal is detected to sense the presence of acoustic waves. Preferably, a point of maximum sensitivity of the intensity of the optical output signal to a change in the loop is determined, and the length of the loop is chosen such that the intensity of the output signal is at this point of maximum sensitivity. In a preferred embodiment, compensation for thermally induced loop length changes is performed by detecting components of the output signal having a frequency lower than the frequency of the sensed acoustic wave, and The loop length is subject to change in response to detected frequency components. In particular, the sensor of the present invention alleviates the problems associated with prior art techniques utilizing high finesse all-fiber optical ring resonators and has a very sharply spiked and very linear output power curve. Preferably, the slope of such a power curve is on the order of 14 radian -1 with a resonator finesse of about 80.
This particular type of resonator thus provides a highly accurate fiber optical sensor for measuring environmental quantities that affect the light propagating therethrough. In such cases, the length of the loop changes as a function of the magnitude or frequency of the acoustic wave entering the loop.
Such a change in loop length then causes the output power of the resonator to change accordingly. By detecting this change in output power, the magnitude and frequency of the acoustic wave can be directly indicated. Changes in the length of this loop can also be caused by other environmental or ambient influences, such as temperature fluctuations, which cause the output power of the resonator to drift at relatively low frequencies. In the preferred embodiment of the invention, a feedback system is used to compensate for such low frequency drift. Preferably, the observed sensitivity of periodic phase shifts induced by changes in loop length in the fiber ring is 1.0×10 -6 rad/√ over the frequency range of 100Hz to 10KHz. Hz or higher, and is 1.0×10 -7 rad/√Hz at 10KHz. In the region above 100 Hz, the sensitivity of this preferred embodiment is at least twice that of the corresponding Matsuzher-Zehnder interferometer. Testing of the preferred embodiment shows that this sensitivity is not limited by shot noise, but rather by the spectral bandwidth of the single frequency laser source. Therefore, improvements in the spectral purity of single frequency lasers should increase the sensitivity described above. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The fiber optic laser of the present invention utilizes a fiber optical resonator. As shown in FIG. 1, the resonator comprises a continuous, uninterrupted strand 10 of single mode optical fiber;
This strand has an input end 12 and a loop part 1
4, and an output end 16. At each end of the loop portion 14, a fiber 12 is optically coupled thereto, with ports 1 and 2 on one side and ports 3 and 4 on the other side.
This is done by a port directional coupler 20. Tracing from one end of the fiber 12 to the other,
Fiber 10 first passes through ports 1 and 3 and then through ports 2 and 4. By this,
Loop 14 extends from ports 3 and 2, while
Input portion 12 would extend from port 1 and output portion 16 would extend from port 4. A laser light source 2 is used to enter the input fiber section 12 and rotate the light through the loop section 14.
2 is used. This light source 22 is in Tropel mode.
A single frequency, long coherence length, continuous wave laser 24, such as a 1200 He--Ne gas laser, is included. This laser has a wavelength of 632.8nm and a
It generates single frequency light with a coherence length well over a kilometer. The light from the laser 24 is focused on the fiber section 1.
2, a lens 26 can be used. In addition to this, the laser 24 and lens 2
6, a polarizer 30 and a quarter wavelength plate 3
2 may be inserted to prevent light reflected from lens 26 and fiber section 12 from entering laser 24 and interfering with its operation. In the resonator shown in the example, the fiber 10 comprises an ITT single mode fiber with a core diameter of 4
micron, effective core area of 1.6×10 −7 cm 2 , effective reflectance of 1.46, and absorption of 8.3 db/Km. Loop 14 includes a polarization controller 40 to compensate for fiber birefringence within loop 14, thereby causing port 2 of coupler 20 to
The rotating light at will have substantially the same polarization as the light from the laser source 22 at port 1. Polarization controller 40 and combiner 20 are fiber optics, distinct from bulk optical components. Coupler 20 A preferred fiber optical directional coupler that can be used as a coupler in a resonator is the 1980
Electronics Letters Volume 16, No. 7, published March 29,
It is described on pages 260 to 271. As shown in Figure 2, this coupler:
It includes two exemplary strands 50A and 50B of single mode fiber optic material, which are mounted vertically in grooves 52A and 52B, respectively. These grooves 52A and 52B are
Each is formed on optically flat opposing surfaces of rectangular bases or blocks 53A and 53B. Connect block 53A with strand 50A installed in groove 52A to one side 51 of the coupler.
The block 53B with the strand 50B installed in the groove 52B is called A and is connected to one side 51B of the coupler.
I will call it. The arched grooves 52A and 52B have a very large radius of curvature compared to the diameter of the fiber 50 and a width slightly larger than the diameter of the fiber so that when the fiber 50 is installed therein, , is adapted to be fixed in a path defined by the bottom wall of the groove 52. The depth of grooves 52A and 52B varies from a minimum at the center of blocks 53A and 53B to a maximum at the edges of blocks 53A and 53B, respectively. This is due to the fact that when the fiber optic strands 50A and 50B are installed in the grooves 52A and 52B, respectively, they gather loosely toward the center and block the blocks 53A and 53.
This gradual widening towards the edge of B prevents any sharp bends or sudden changes in the direction of the fiber 50 that could cause losses through mode perturbations. It has Although the groove 52 is rectangular in cross-section, it may alternatively have any other suitable cross-sectional profile convenient for the fiber 50, such as a U-shaped cross-section or a V-shaped cross-section. Good things will be understood. In the embodiment shown here, in the central part of the block 53 the depth of the groove 52 in which the strand 50 is attached is smaller than the diameter of the strand 50, while at the edge of the block 53 the depth of the groove 52 is smaller than the diameter of the strand 50. The diameter is preferably at least as large as the diameter of the strand 50.
The fiber optic material has been removed from strands 50A and 50B, for example by wrapping, so that each has an elliptical flat surface that is similar to block 5.
It will exist on the same plane as the opposing surfaces of 3A and 53B. These elliptical surfaces from which the fiber optical material has been removed will be referred to herein as the fiber "facing surfaces."
The amount of fiber optic material removed therefore increases slowly from O in the direction of the edges of block 53 and reaches a maximum in the direction of the central portion of block 53. Tapering the fiber optic material allows the fiber to gradually narrow and widen to prevent excessive back reflections and loss of optical energy. In the embodiment shown, the coupler sides 51A and 51B are identical and are placed in such a way that the surfaces of blocks 53A and 53B are opposite each other and the opposing surfaces of strands 50A and 50B are in facing relationship. They are assembled by arranging them so that they have . An index matching material (not shown), such as index matching oil, is placed between opposing surfaces of block 53. This material has a refractive index approximately equal to that of the cladding, and also serves to prevent optically flat surfaces from becoming permanently locked together.
This oil is transferred to block 53 by capillary action.
be placed between. Interaction regions 54 are formed at the junctions of strands 50 where light is transmitted between the strands by evanescent field coupling.
To ensure proper evanescent field bonding, care must be taken to control the amount of material removed from the fiber 50 such that the distance between the core portions of the strands 50 is within a predetermined "critical zone." It has been found that it is necessary to control the This evanescent field extends further into the cladding and decreases rapidly with increasing distance outside their respective cores. Therefore, a sufficient amount of material must be removed to ensure that each core is substantially within the evanescent field of the other. If too little is removed,
The proximity between the cores is not sufficient and the evanescent field coupling does not provide the desired interaction between the guided modes, resulting in poor coupling. Conversely, if too much is removed, the propagation properties of the fiber are altered and optical energy is lost due to mode perturbations. However, if the distance between the cores of the strands 50 is within the critical zone, each strand can receive a significant portion of the evanescent field energy from the other strands without energy loss becoming an issue. A strong bond can be achieved. This critical zone includes regions of sufficient overlap such that bonding between the fibers is achieved, ie each core lies within the evanescent field of the other. However, as previously shown, if the cores are too close together, modal perturbations will occur. For example, for weakly guided modes such as the HE 11 mode in single mode fibers, such mode perturbations occur when enough material is removed from the fibers 50 to expose their cores. It is considered a thing. The critical zone is thus defined as the region where the evanescent fields overlap with sufficient strength to produce coupling such that no substantial modal perturbation-induced power loss occurs. The extent of the critical zone for a particular coupler depends on a number of interrelated factors, such as the parameters of the fiber itself and the geometry of the coupler. Furthermore, for a single mode fiber with a step index cross section, this critical zone can be very narrow. In single-mode fiber couplers of the type shown here, the center-to-center distance between the strands 50 in the center of the coupler is typically greater than several times the core diameter (e.g., 2-3 times). Something small is required. Preferably strands 50A and 50B
(1) are identical to each other; (2) have the same radius of curvature in the interaction region 54; and (3) have an equal amount of fiber optic material removed therefrom to form their respective opposing surfaces. ing. Thus, the fiber 50 passes through the interaction region 54.
Their opposing surfaces are symmetrical,
Therefore, their opposing surfaces are coextensive when superimposed. This allows the two fibers 50A and 50B to connect to the interaction region 5.
4 will also have the same propagation properties, thereby preventing coupling absorption that would occur if the propagation properties were different. Block or base 53 may be made of any suitable rigid material. In the presently preferred embodiment, base 53
is about 1 inch long, about 1 inch wide and about
It typically comprises a rectangular block of fused silica glass having a thickness of 0.4 inches. In this embodiment, fiber optic strand 50 is secured within slot 52 by a suitable adhesive such as an epoxy adhesive. Fused silica glass block 5
One of the advantages of using block 53 and fiber 50 is that it has a coefficient of thermal expansion similar to that of glass fiber, which means that block 53 and fiber 50 are This is particularly important when undergoing heat treatment.
Another suitable material for block 53 is silicon, which also has excellent thermal properties for this application. The combiner of FIG. 2 includes four ports labeled A, B, C and D, which correspond to ports 1, 2, 3 and 4, respectively. Viewing FIG. 2 as a whole, ports A and B, corresponding to strands 50A and 50B, respectively, are on the left side of the coupler, while ports C, corresponding to strands 50A and 50B, respectively, are on the left side of the coupler.
and D are on the right side of this coupler. For convenience of discussion below, it is assumed that input light is provided to port A. This light passes through this coupler to port C
and/or output from port D, which output is dependent on the amount of power coupled between the strands 50. In this regard, the “coupling constant” is
Defined as the ratio of combined power to total output par. In the example described above, this coupling constant would be equal to the ratio of the output of port D to the sum of the power outputs at ports C and D. This ratio is also referred to as "coupling efficiency" and is usually expressed as a percentage when this term is used. Therefore, when the term "binding constant" is used herein, the corresponding binding efficiency must be considered to be equal to this binding constant multiplied by 100. For example, a binding constant of 0.5 is equivalent to a binding efficiency of 50%. The coupler allows the coupling constant to be "adjusted" by offsetting the opposing surfaces of block 53 to any desired value between 0 and 1.0. Such adjustments can be made by sliding the blocks 53 horizontally relative to each other. This coupler is highly directional; almost all of the power applied to one side of the coupler is transferred to the other side of the coupler. That is, almost all of the light applied to input port A is transmitted to ports C and D, and no reverse coupling to port B occurs. Similarly, almost all of the light applied to port B is transmitted to ports C and D. Furthermore, this directionality is symmetrical, so that almost all of the light applied to either port C or input port D is transmitted to port A.
and communicated to B. Furthermore, this coupler makes little distinction between polarization states, so
It has the property of preserving the polarization state of light. Therefore, for example, if a vertically polarized light beam enters port A, the vertical polarization of the light traveling from port A to port D due to cross-coupling will be the same as the light traveling straight from port A to port C. is maintained. Light cross-coupled from one fiber to another experiences a phase shift of +π/2, but
Non-cross-coupled light does not shift out of phase while propagating through this coupler. Therefore, for example, when light enters port A, the phase of the cross-coupled light at port D advances by π/2, while the phase of light traveling straight to port C remains unchanged. The coupler is also a low loss device,
It typically has an insertion or passage loss of only 2-3 percent. The term "insertion loss" as used herein refers to the loss actually incurred by light passing through the coupler from one end to the other due to scattering. For example, light is given to port A, and 97% of this light is transmitted to port C and (combined) port D.
When reaching , this insertion loss is 0.03 (3%)
becomes. The term "combiner transmission" is defined as 1 minus insertion loss. Therefore, if the insertion loss is 0.03 (3%), the coupler transmission will be 0.97 (97%). Polarization Controller 40 One type of polarization controller suitable for use as polarization controller 40 of FIG.
It is described in Electric Letters Vol. 16, No. 20, pp. 778 to 780, published September 25, 1980. As shown in FIG. 3, the controller includes a base 70 and a plurality of upright blocks 72A-72D mounted thereon.
Spools 74A to 74C are provided between adjacent blocks 72.
They are installed along the tops of shafts 76A to 76C, respectively. This shaft 76 is 1
The blocks 72 are arranged along two axes and are rotatably mounted between blocks 72. Spool 74
is generally cylindrical and positioned along shaft 76, with the axis of spool 74 perpendicular to the axis of shaft 76. fiber part 1
4 (FIG. 1) extend along the bore of the shaft 76 and are wound around each of the spools 74 to form three coils 78A-78C. The radius of the coil 78 is the same as that of the fiber 14.
are compressed to form a birefringent medium in each of the coils 78. This 3
The two coils 78A to 78C are connected to the shaft 74.
A and 74C can be rotated independently of each other about the axes to adjust the birefringence of fiber 14 and thereby control the polarization of light passing through fiber 14. The diameter and number of turns in coil 78 are such that outer coils 78A and 78C provide a quarter-wave spatial delay, while center coil 78B provides a quarter-wave spatial delay. Ordained to give. Quarter wavelength coils 78A and 78C
controls the ellipticity of polarized light, and the half-wavelength coil 7
8B controls the direction of polarization. This allows the polarization state of the waves propagating through the fiber section 14 to be adjusted over a full range. however,
It will be appreciated that this polarization controller may be modified to include only two quarter wave coils 78A and 78C. That is, the direction of polarization (otherwise given by central coil 78B) can be indirectly controlled through appropriate adjustment of the polarization ellipticity using two quarter-wave coils 78A and C. This is because it can also be controlled. Therefore, the polarization controller 40 shown in FIG. 1 includes only two quarter-wave coils 78A and 78C. This arrangement allows the overall size of the controller 40 to be reduced, which may be advantageous when the present invention is applied to specific applications where space is limited. . Thus, polarization controller 40 provides a means for establishing, maintaining, and controlling the polarization state of light propagating through fiber section 14. Operation of the Resonator Referring again to Figure 1, in its operation:
The light entering the fiber portion 12 from the light source 22 is
It propagates to port 1 of coupler 20 where a portion of this light is coupled to port 4 and another portion of the light propagates to port 3. Light at port 4 propagates through fiber section 16 and exits from the end of fiber 10. However, the light at port 3 passes through loop section 14 and enters the coupler again from port 2. This portion is coupled to port 3, while the remaining portion propagates to port 4 and passes through fiber section 16. Loop 14 and coupler 20 cooperate to provide a resonant cavity such that light entering the coupler at port 2 is directed to laser source 2.
It causes interference with the light coming from 2. Such interference causes constructive interference at port 3, while destructive interference at port 4, thereby causing the establishment of light within the resonant cavity loop. Hereinafter, the light from the light source 22 and propagating through the fiber section 12 will be referred to as the input signal wave Wi, while the light exiting the port 4 and propagating through the fiber section 16 will be referred to as the output signal wave Wo. I will call it. The light rotating within the loop portion 14 is called a rotating wave Wc. Since the rotating wave Wc propagates around the loop 14 from port 3 to port 2, part of its power is lost due to transmission loss. “Fiber transmission loss”
The term is defined as the partial loss that occurs while light propagates through the fiber from port 3 to port 2. In the example shown, fiber transmission loss is completely a function of fiber absorption, such that the power or intensity of wave Wc at port 2 is equal to the power of wave Wc at port 3, exp
It is equal to (−2α 0 L) multiplied by Here, L is the path length of the loop 14 in which the light is rotating,
The phase shift in the coupler 20 is excluded, and α 0 is the amplitude absorption coefficient of the fiber 10.
If other additional components (eg, fiber optical polarizers) are installed within the fiber loop, the losses due to these components will be included in the definition of fiber transmission loss. The term "fiber transmission" is also defined as the rotating wave power at port 2 divided by the rotating wave power at port 3. Stated another way, this is the amount of power from port 3 that reaches port 2 (ie, fiber transmission = 1 - fiber transmission loss). In addition to being absorbed by fiber transmission losses, this rotating wave Wc is weakened somewhat due to coupler insertion losses in each path through coupler 20. Additionally, the power or intensity of the input wave Wi is lost during propagation through the coupler 20 due to coupler insertion loss. In this regard, coupler 20 can be modeled as a lossless device with summed insertion losses (γ 0 ) independent of the coupling constant. The relationship between coupler insertion loss and the complex amplitude at each of the four ports of coupling 20 is: |E 3 | 2 + |E 4 | 2 = (1-γ 0 ) (|E 1 | 2 + | E 2 | 2 ) (1) where; E 1 , E 2 , E 3 and E 4 are the complex electric field amplitudes at coupler ports 1, 2, 3 and 4, respectively; γ 0 is the coupler Insertion loss (typically 2%
(on the order of 10%). The complex amplitude at port 3 and port 4 is
The electric field amplitude at port 1 and port 2 has the following relationship: E 3 = (1-γ 0 ) 1/2 (1-K) 1/2 E 1 +j√E 2 (2) and E 4 = (1 −γ 0 ) 1/2 j√E 1 +(1−K) 1/2 E 2 (3) where K is a strong coupling constant. K=0 corresponds to no bond at all, and K=1 corresponds to the presence of a complete bond. Furthermore, there is the following relationship between E 2 and E 3 ; E 2 = E 3 e -0 L e jBL (4) However; β = nω/C (5) and; α 0 is the amplitude absorption coefficient of the fiber; L is the length of the fiber loop portion 14; n is the effective refractive index of the fiber; ω is the frequency of the light; β is the propagation constant of the fiber 10; and c is the speed of light. In order to achieve complete resonance, the output wave Wo
must be zero, so the ratio E 4 /E 1 must be zero. Therefore, by solving the second, third and fourth equations, E 4 /E 1 becomes γ 0 , K,
Expressed by α 0 L and βL, and setting E 4 /E 1 as 0,
Resonance conditions written in terms of loop length L and coupling constant K are obtained. One of the conditions necessary for resonance is; βL=q2π−π/2 (6) where q is any integer. Therefore, in order to produce perfect resonance,
Loop 14 with phase shift removed by coupler 20
The total phase delay (βL) around must be an integer multiple of 2π radians smaller by π/2. According to the second and third equations, the directional coupler 2
Note that 0 has a phase shift of +π/2. By adding this phase shift to βL in the sixth equation, loop 14 is passed (for example,
It will be seen that the total phase accumulated in the rotating wave Wc when going around the loop from any point in the loop and returning to this arbitrary point is equal to q(2π). As will be appreciated from the discussion below, the length of the loop can be adjusted after the resonator is assembled to satisfy the resonance conditions. This uses an electrically driven PZT cylinder around which the fiber 14 is wound.
This is done by mechanically stretching 4. The resonance conditions specified by Equation 6 can be more fully understood by referring to FIG.
FIG. 4 shows a method of producing constructive interference at port 3 and destructive interference at port 4 by making good use of the π/2 phase shift of coupler 20. For convenience of discussion, combiner 2
0 is shown with an effective coupling point in the central portion of coupler 20 and ports 1, 2, 3, and 4 separated by an integer number of wavelengths from this point. The loop length (L) can be viewed as the distance from this point of attachment, around the loop 14, and back to this point of attachment. This distance is calculated as follows, where q is an integer.
Must be (q-1/4) wavelength. In Figure 4, the input signal wave Wi is a reference wave with phase O, and all other waves (i.e.
It is assumed that the phases of Wc and Wo) are determined relative to this input wave Wi. moreover,
All waves propagating through the coupler 20 are combined into two components, i.e. "cross-coupled", denoted by the subscript c.
component and a “direct” component denoted by the subscript s. Therefore, the input wave Wi is a cross-coupled component Wic that propagates from port 1 to port 4.
and the direct component propagating from port 1 to port 3.
It is divided into Wis and Wis. Similarly, wave Wc is port 2
A cross-coupled component Wcc propagates from to port 3,
Direct component Wcs propagating from port 2 to port 4
It can be divided into If the light source 22 is turned on at t=0, the input wave Wi enters port 1 of the coupler 20 with phase 0 and propagates therein. Cross-coupled component Wic
undergoes a phase shift of +π/2 while propagating to port 4, while the direct component Wis remains unchanged in phase while propagating to port 3.
Therefore, the phase of the light wave Wc at port 3 is 0. This wave Wc then loops 14
It then propagates around and heads towards port 2. If the loop length L is chosen according to equation 6, wave Wc will have a phase of -π/2 when it arrives at port 2. While the wave Wc propagates through the coupler 20, the cross-coupled component Wcc is out of phase by +π/2, and when it arrives at port 3, its phase is 0 as well as the phase of the input wave component Wis. be. Therefore, the rotating wave component Wcc constructively interferes with the input wave component Wis at the port 3, thereby increasing the intensity of the rotating wave Wc at the port 3. On the other hand, the phase of the direct component Wcs of the rotating wave Wc does not change while it propagates from port 2 to port 4, and therefore its phase remains at -π/2 even at port 4. There is. Therefore, this component Wcs destructively interferes with the cross-coupled input wave component Wic having a phase of +π/2. As a result, as wave Wc rotates through loop 14, it is coupled to the input signal wave at port 3.
The power of the wave rotating through the loop 14 ( Strength)
Establish Pc slowly (and asymptotically).
Such a wave is 63% of the equilibrium value (i.e. 1-
The time required to establish up to e) is defined as the cavity growth time (Tc), also commonly referred to as the cavity delay time. To achieve perfect resonance at the equilibrium value and zero output power at port 4,
The second condition must be satisfied. That is, the direct rotating wave component Wcs at port 4 must have an amplitude equal to the amplitude of the cross-coupled input signal component Wic at port 4. In order to generate such a situation, the coupling constant K is adjusted to a value Kr, which will hereinafter be referred to as the "resonant coupling constant". Second
Solving the equation, the third equation, and the fourth equation for E 4 /E 1 ,
By setting E 4 /E 1 to 0 (this is a resonance condition), this resonance coupling constant Kr becomes; Kr=(1−γ 0 )exp(−2α 0 L) ( 7) In the example shown, this combined transmission is (1-γ 0 ) and the fiber transmission is exp(-2α 0 L)
It is. Therefore, Kr = coupled transmission x fiber transmission (8). In the disclosed embodiments, the fiber absorption is
8.3dB/Km, loop 14 is 10 meters, and
0 L equals 0.0158 at a wavelength of 632.8 nm. Since the coupler insertion loss is 1.8%, the resonant coupling constant is 0.967. Using the resonance coupling constant specified by Equation 7, the rotational power (intensity) and output power (intensity) are normalized by the input power by Equations 2, 3, and 4. As the value: |E 3 /E 1 | 2 = Pc(3)/Pi = (1-γ 0 ) (
1-Kr) /(1+Kr) 2-4KrSin 2 ( βL/2-π/4)(
9) |E 4 /E 1 | 2 = Po/Pi = (1-γ 0 ) [1-(1-Kr)
2 / (1 + Kr) 2 −4KrSin 2 (βL/2−π/4)] (10). Here, Pc(3) is the rotational wave at port 3
is the power (intensity) of Wc; Pi is the input signal wave Wi
is the power (strength) of; and Po is port 4
is the power (intensity) of the output wave Wo at . If βL is chosen to satisfy the resonance condition specified by Equation 6, Equation 9 becomes: |Pc/Pi| nax =1−γ 0 /1−Kr (11). This equation can be rewritten as follows. Pi=Pc(1-Kr)+Piγ 0 (12) If the 6th formula is satisfied, (1-Kr)
is equal to the circulating partial intensity loss of the rotating wave Wc (ie, coupler insertion loss + fiber transmission loss). Therefore, the right-hand side of Equation 12 represents the total power dissipated in coupler 20 and loop 14. As a result, as can be seen from equation 12, in a perfectly resonant condition, the rotational power Pc is such that the total power dissipated in the loop and coupler is equal to the input power Pi at port 1. The normalized theoretical rotational power and output power specified by Equations 9 and 10, respectively, are expressed as 2 in FIGS. 6 and 7, respectively.
It is shown as a function of βL for two typical coupler insertion loss values: 5% and 10%. These curves are for the case where the loop length is 3 meters (2α 0 L = 0.0057), but similar curves are drawn even when the loop length is 10 meters. You will be able to understand that. As shown in Figure 6, the rotational power Pc strongly depends on the coupler insertion loss, being approximately nine times the input power Pi for a 10% insertion loss, and for a 5% insertion loss. is almost 19 times the input power Pi. In contrast, the output power Po decreases to zero in both cases at full resonance, as shown in FIG. However, the minimum and maximum values in FIGS. 6 and 7 become sharper as the insertion loss decreases, indicating that the cavity finesse is strongly dependent on the coupler insertion loss. This cavity finesse (F) is defined by the following formula. F=FSR/δf (13) where FSR is the free spectral range of the resonant cavity (i.e. the distance between the minimum (Figure 7) or maximum (Figure 6)); and δf is the maximum rotational power. This is the width of the rotational power maximum value (Fig. 6) at one-half of (that is, one-half the power at perfect resonance). This free vector range (FSR) can be defined as follows. FSR=C/nL (14) By setting the ninth equation to be equal to half of |Pc(3)/Pi|max, the full width at half the maximum value becomes: δf= C/nL{1-2/πSin -1 [1-(1
−Kr) 2 /4Kr〕 1/2 }(15) When Kr is close to 1, w can be approximated as follows: The error of this approximation is within 0.2% for Kr greater than 0.8. By substituting equations 14 and 16 into equation 13, the cavity finesse becomes: Recall from equation 8 that the resonant coupling constant (Kr) is equal to the product of coupler transmission and fiber transmission, so (1-Kr) is equal to the total partial loss around loop 14. 17th
It will be seen from the equation that this finesse increases as these partial losses decrease. Therefore, the finesse is strongly loss dependent and will increase as either coupler insertion loss or fiber transmission loss or both are reduced. In the example shown, this finesse is approximately 80, and the free spectral range for a loop 14 length of 10 meters is approximately 20.6 MHz. Finally, referring back to Figure 5, the cavity growth time Tc can be approximated as follows: Tc=nL/C/2(1-Kr) (18) To generate a resonance effect includes a laser light source 20
must have a coherence length greater than c×Tc. Referring to FIG. 8, the resonance effect predicted by equations 9 and 10 shows that the optical power (intensity) of the output wave Wo at the end of the fiber section 16
can be observed by providing a detector 80 that measures . Detector 80 outputs an electrical signal on line 82, which output is proportional to the optical intensity of the output wave Wo. This line 82
is connected to an oscilloscope 84 to input this signal. A signal from a triangle wave generator 86 is provided to this oscilloscope 84 on line 88 and to a phase modulator 90 on line 92. As a particular example, this phase modulator comprises a 3 inch diameter PZT cylinder around which a section of fiber loop 14 is wound only 26 times. The signal from the triangular wave generator 86 is
The PZT cylinder 90 is actuated to spread it radially, so that the fiber 14 stretches linearly to the length (L) of the fiber at the frequency of the generator 86.
will be changed periodically. In this arrangement, the fiber resonator's behavior is somewhat similar to that of a scanning Fabry-Perot interferometer. FIG. 9 is a diagram showing the oscilloscope trajectory of a detector current 96 representing the optical output power (Po) and a triangular wave generator signal 98 representing the amount of stretch of the fiber stretched by the phase modulator 90. be. The amount of fiber stretch provided by signal 98 is slightly greater than the wavelength, so the output power shown in FIG. 9 drops to zero by two degrees between each linear stretch of the fiber. When the coupling constant is changed slightly from the resonant coupling constant Kr, the finesse decreases and a non-zero output power is observed at the minimum of curve 96. The importance of maintaining the polarization state of the light within the fiber loop 14, such as by using a polarization controller 40, is illustrated in FIG.
This figure shows a case where the quarter wavelength loop of the polarization controller 40 is rotated and moved far from the optimum position. As shown therein, two resonant modes corresponding to two independent polarization modes are observed. These two modes resonate at different scan positions because their propagation velocities are slightly different. Each of these resonant modes has a non-zero output power, which means that if one mode is resonant and the other mode is not, then the output power of the non-resonant mode is This is because it is observed at the resonance point of that mode. Operation as an Acoustic Sensor The resonator described above provides a highly sensitive acoustic sensor that detects the frequency and intensity of acoustic waves incident on the fiber loop. When the wavefront of an acoustic wave impinges on the fiber loop 14, the length of this loop is modulated in the same manner as the frequency and intensity of the wavefront. With the length of the loop undergoing such modulation, the full round phase delay through loop 14 is also simultaneously modulated. If the fiber loop cavity is at least partially resonant, modulation in this circular phase delay will cause the output signal to
The optical power of Wo is also modulated in response. Therefore, by detecting the fluctuation in the intensity of the output wave Wo, the intensity and frequency of the acoustic wave can be confirmed. The length of the optical fiber loop is not limited to acoustic waves.
It is also sensitive to other environmental effects, particularly temperature and vibration. However, temperature- and vibration-induced loop changes tend to be at lower frequencies compared to the acoustic band frequencies.
Therefore, the sensor of the present invention detects the low frequency components of the modulated output power and passes these components through a feedback loop to mechanically change the length of the fiber loop 14 to prevent temperature or vibration induced vibrations. This compensates for variations in the length of the loop so that such variations do not affect the detection of the acoustic frequency signal. As shown in FIG. 11, the sensor of the invention includes a detector 110 at the end of the fiber section 16 for detecting the optical power of the output wave Wo. This detector 110 outputs an electrical signal on line 112, which signal is proportional to the optical intensity of the output wave Wo. This line 112 is connected to stabilization electronics 114 to input this signal into this circuit. In response to this signal, stabilization electronics 114 outputs a signal on line 116 that drives a PZT cylinder 118 in fiber loop 114. A signal from stabilization electronics 114 drives PZT cylinder 118 to radially expand it and linearly extend fiber 14 into fiber loop 14.
change the length of In a particular example, this
The PZT cylinder is 3 inches in diameter and has 26 wraps around it at the location of the fiber loop 14. In short, the stabilization electronics 114 provides a bandpass filter that passes low frequency components of the detector current and drives the PZT cylinder 118 to stretch the fiber loop by an amount proportional to such components. Become. This is true for low frequency drift caused by temperature fluctuations, for example.
Stabilization of the total integrated circular phase delay around loop 14 is provided. The stabilization electronics 114 includes a transimpedance amplifier (operational amplifier) 120 for returning the current on line 112 to a voltage. This voltage is output on line 112 to a signal processor 124 which displays or prints the waveform of the sensed acoustic wave, such as from a sound recorder, loudspeaker or paper recorder. It may also be equipped with a display or recording unit. Line 122 is also connected and connected to a low pass filter 126 to provide this signal to this filter.
This filter blocks frequencies greater than approximately 10KHz. The sole purpose of this filter 126 is to prevent the PZT cylinder from resonating, since, as shown in the example, this cylinder has a resonant frequency of about 25 KHz. The output from low pass filter 126 is provided on line 128 to differential amplifier 1
Heading towards 30. This differential amplifier is connected to line 128
is applied to amplifier 13 by line 132.
0 to provide an error signal. The differential amplifier 130 outputs the error signal on line 134 to an integrator 136. This integrator outputs a signal on line 116
Drives the PZT cylinder 118. Through adjustment of this reference voltage, this PZT cylinder 118 is biased such that the loop 14 is at maximum +/-
It operates to be stretched or shortened within a range giving a phase delay of 20 radians. This integrator 136 is an active low pass filter that provides a selective response in gain to low frequencies. This gain is negligible for acoustic frequencies and increases linearly as the frequency of the error signal decreases. Accordingly, stabilization electronics 114 drive PZT cylinder 118 in response to the low frequency drift component of the detector current to account for changes in loop length caused by environmental ambient effects such as temperature and vibration. Compensate. The operation of this acoustic sensor may be more fully understood by analyzing the behavior of the optical output wave Wo, which changes in response to changes in loop length. In this regard, the fiber loop 14
It may help to rewrite equation 10 by the total phase delay around . Here, the phase delay is φ
I will call it. Therefore: Po(φ)=P nax f(φ) (19) However: P nax =η(1−γ 0 ) (20) f(φ)=1−Sin 2 (φ/2)/1− ηSin 2 (φ/2
)(21) η=4Kr/(1+Kr) 2 (22) The term Po used below is the output wave normalized by the intensity of the input wave Wi (i.e. normalized between 0 and 1.0). I would like you to understand this as a demonstration of Wo's strength. Furthermore, the sign Pmax is the output wave
Used to indicate the maximum output power (intensity) of Wo (ie, the optical power at port 4 when the loop is not in resonance). As shown in FIG. 12, Po(φ) fluctuates between Pmax and 0 with a period of 2π. Note that f(φ) varies between 1 and 0 with this same period. The maximum slope of Po (φ) is: |dPo/dφ| nax = P nax 1/2 (η−1)Sinφ 0 /1−ηSin 20 /2)(
23) Here, φ 0 is the total phase delay corresponding to the point of maximum slope of Po(φ), which is φ 0 = cos -1 {1/η-1/2-1/2√9 −4/η+4/η 2 } (24) Referring now to FIG. 12 in conjunction with FIG. 11, the reference voltage on line 132 is preferably
The PZT cylinder 118 is driven to adjust the loop length to provide a phase delay corresponding to φo. This causes the resonator to operate at the point Z of maximum slope on the output power curve 140. The total phase delay φ around the loop 14 at this point Z is equal to an integer multiple of the wavelength plus or minus φo. In the example shown here,
This operating point Z, which corresponds to approximately 0.24 of the normalized output power Po(φ), is determined by the stabilizing electronic circuit 1 described above.
14 stabilizes against low frequency drift. Because the slope of the output power curve 140 is steep,
Due to this small phase shift from the operating point Z,
Substantial variations in output power occur.
Furthermore, because the output power curve 140 is approximately linear around this operating point Z, there is a proportional relationship between small phase shifts and the resulting variations in output power. For example, the output power undergoes a detectable sinusoidal modulation around the operating point Z due to the very small sinusoidal phase shift induced by the change in loop length caused by the acoustic wave. It turns out. For example, as shown in FIG. 13, when the sensed acoustic wave modulates the length of loop 14 such that the integrated phase delay around loop 14 is modulated by Δφ, the output wave Wo
is correspondingly modulated by ΔPo. Although only a sinusoidal modulation of constant amplitude with a single frequency is shown in Figure 13, whatever the intensity and frequency of the acoustic wave, this output wave Wo will be Therefore, it is understood that it varies. Additionally, for illustrative purposes:
Curve 140 is fixed and point Z is on curve 140
Although it is assumed that the curve 140 moves up and down, it should be recognized that in reality, the entire curve 140 shifts around the point R along the X axis while the point Z remains fixed. Such a shift in curve 140 is caused by a change in the length of the loop induced by the acoustic wave, which causes a change in the surface frequency of loop 14. Generally, the sensitivity of this sensor is proportional to the slope of the output power curve. In the embodiment shown, the maximum slope is approximately 14 radian -1 , which is a considerable improvement over the maximum slope of 1/2 radian -1 of the Mazher-Zender interferometer. The minimum detectable phase shift (i.e., the phase shift when the signal-to-noise ratio is 1) can be defined as: Δφ=ΔTnoise {|dP/dφ| nax } −1 where ΔTnoise is the transmission noise (including detection) resulting from the limited noise of the system. In this equation, both Pmax and ΔTnoise are measured in units of photodetector current, not a normalized transmission from 0 to 1. For the value |dP/dφ|max given above, the sensor of the present invention has a theoretical minimum An improvement of approximately a factor 30 in detectable phase shift can be expected. Testing has shown that the main noise source inside the sensor of the present invention is not laser amplitude noise or detector shot and temperature noise, but rather
It turned out to be frequency noise from the laser light source 22. For example, as long as the laser 22 is not strictly monochromatic and varies from its frequency at the operating point Z,
This laser can generate frequency noise that encompasses the acoustic frequency band. Therefore, this frequency noise can be detected and misinterpreted as acoustic wave induced variations over the length of the fiber loop. For a given loop length and free spectral range, this frequency noise, when detected in the optical output wave Wo, will correspond to the slope (dP/dφ) of the output power curve 140 for a given loop length. It has a proportional size. Therefore, for this particular type of noise, the signal-to-noise ratio does not depend on the slope of curve 140. It is believed that such noise can be reduced by improving the monochromaticity of laser light source 22. The signal-to-noise ratio caused by laser frequency noise is independent of dP/dφ, but this noise ratio can be reduced by shortening the loop length and increasing the free vector range of the resonator. be able to. Increasing the free spectral range in this way has a small effect on dP/dφ, but when f is the frequency, it produces an effective effect on dP/df.
For example, when the finesse of the resonator is 80,
Changing the phase by 0.1π corresponds to a frequency change of approximately 1 MHz for a free spectral range of approximately 20 MHz, and a frequency change of 0.2 MHz for a free spectral range of 4 MHz. Become. Therefore, a loop with a free spectral range of 20 MHz will be less sensitive to laser frequency noise than a loop with a free spectral range of 4 MHz, given the same laser frequency noise. Become. As a result, a highly monochromatic light source with a long coherence length is desirable in applications where long loop lengths are important. However, to reduce noise problems, it is better to keep the loop length as short as possible. In practice, the loop length is such that the amount of optical fiber exposed to the sensed quantity is sufficient to ensure that the optical output signal is measurable within the desired dynamic range. selected. In the example shown here, the maximum dynamic range is from 0 to
It will be 0.48 (normalized power: Figure 13).
This is because the operating point Z is 0.24 (normalized power) on the curve 140. In the graph of FIG. 14, the overall response of the stabilized interferometric sensor as a function of frequency is shown. The average output power measured by detector 110 is normalized between 0 and 1 to be Y
The sensed acoustic wave frequencies are plotted on the X-axis to form a response tune 144. Below 100Hz, this output power is essentially absorbed. This is because, in this frequency range, loop fluctuations caused by sensed acoustic wave waves are indistinguishable from those due to temperature drift. However, above 1KHz this absorption does not occur. Therefore, the sensor of this invention
It has a flat response for frequencies above 1KHz. However, in an environment where temperature drift is not a problem, such a curve 14
4 is not absorbed by the stabilization system, so that even infrasound waves can be sensed.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図はこの発明のブリユアンリングレーザを
用いた共鳴器の概略図であつて、フアイバループ
の中に光を入れるための光源およびフアイバルー
プを閉じるためのフアイバ光学方向性結合器を示
している。第2図は第1図の共鳴器において用い
られるフアイバ光学方向性結合器の1つの実施例
の断面図である。第3図は第1図の共鳴器におい
て用いられるフアイバ光学偏光コントローラの1
つの実施例の斜視図である。第4図は第1図およ
び第2図において示されているフアイバ光学方向
性結合器の概要図であつて、その中を伝播する光
波成分の位相を示している。第5図は時間の関数
としての回転パワーを示すグラフであつて、空洞
成長時間に等しい時間間隔以後の平衡値まで漸近
的に成長する回転パワーを示している。第6図は
入力パワーによつて正規化された、フアイバルー
プを通した位相の遅れの関数としての、ポート3
における回転パワーのグラフであつて、例として
結合器挿入損失を5%および10%とした場合の共
鳴点における正規化された回転パワーを示してい
る。第7図は入力パワーによつて正規化された、
フアイバループを通つた位相の遅れの関数として
の出力パワーのグラフであつて、例として結合器
挿入損失を5%および10%とした場合の共鳴点に
おける出力パワーが0となることを示している。
第8図は第1図の共鳴器の1つの実施例の概略図
である。第9図は第8図に示した実施例に対する
共鳴の振舞いを示すグラフである。第10図は第
9図と同様の図であつて、共鳴の振舞いにおい
て、偏光コントローラの配列を誤つた場合の、双
方の共鳴モードにおいて光が伝播するという効果
を示すグラフである。第11図は、第1図の共鳴
器を利用したこの発明の音響センサの概要図であ
つて、フアイバループの中のPZTシリンダを駆
動して、低周波温度ドリフトに対して光学的出力
パワーの安定化を行なう安定化フイードバツク電
子回路を示している。第12図は、フアイバルー
プを通つて回転する光の全周回位相遅延の関数と
してのポート4における光学的出力パワーのグラ
フであつて、センサが安定化されて動作する最大
傾斜点を示している。第13図は、第12図のグ
ラフの一部分を示す図であつて、音響波によつて
誘起されたループの長さの変動によつて引き起こ
された位相変調の光学的出力パワーに対する効果
を示している。第14図は、感知された音響波の
周波数の関数としての平均光学的出力信号パワー
(0および1.0の間で正規化されている)をプロツ
トしたグラフであつて、この発明のセンサの応答
を示している。路、132は安定化電子回路、を
示す。
FIG. 1 is a schematic diagram of a resonator using the Brillouin ring laser of the present invention, showing a light source for introducing light into the fiber loop and a fiber optical directional coupler for closing the fiber loop. There is. FIG. 2 is a cross-sectional view of one embodiment of a fiber optical directional coupler used in the resonator of FIG. Figure 3 shows one of the fiber optic polarization controllers used in the resonator of Figure 1.
FIG. 3 is a perspective view of two embodiments; FIG. 4 is a schematic diagram of the fiber optic directional coupler shown in FIGS. 1 and 2, showing the phases of light wave components propagating therein. FIG. 5 is a graph showing rotational power as a function of time, showing the rotational power growing asymptotically to an equilibrium value after a time interval equal to the cavity growth time. Figure 6 shows port 3 as a function of phase delay through the fiber loop, normalized by input power.
2 is a graph of the rotational power at the resonance point, showing the normalized rotational power at the resonance point when the coupler insertion loss is 5% and 10% as an example. Figure 7 is normalized by input power.
Graph of output power as a function of phase lag through the fiber loop, showing zero output power at resonance for example coupler insertion losses of 5% and 10% .
8 is a schematic diagram of one embodiment of the resonator of FIG. 1; FIG. FIG. 9 is a graph showing the resonance behavior for the embodiment shown in FIG. FIG. 10 is a diagram similar to FIG. 9, and is a graph showing the effect of light propagation in both resonance modes when the polarization controllers are arranged incorrectly in resonance behavior. FIG. 11 is a schematic diagram of the acoustic sensor of the present invention using the resonator of FIG. The stabilization feedback electronics that provide the stabilization are shown. FIG. 12 is a graph of the optical output power at port 4 as a function of the round-trip phase delay of the light rotating through the fiber loop, showing the point of maximum slope at which the sensor operates in a stabilized manner. . FIG. 13 is a diagram showing a portion of the graph of FIG. 12, illustrating the effect on optical output power of phase modulation caused by acoustic wave-induced loop length variations; ing. FIG. 14 is a graph plotting the average optical output signal power (normalized between 0 and 1.0) as a function of the frequency of the sensed acoustic wave, illustrating the response of the sensor of the present invention. It shows. 132 represents a stabilizing electronic circuit.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 第1と第2の端部およびそれらの間のループ
部分を有する光フアイバの単一の継ぎ目のないス
トランドと; 前記フアイバループを光学的に閉じるフアイバ
光学結合器と; 前記第1の端部に光波Wiを与える光源とを備
え、前記光波は前記フアイバを通つて前記第2の
端部へと伝播し、前記ループの長さに依存した強
度をもつた光学的出力信号Woを与え、 前記フアイバループを通つて回転する光の周回
位相遅延を制御し、前記回転光のための共鳴空洞
を与える位相遅延デバイスをさらに備え; 前記フアイバループの長さは第1の第2の環境
効果を感知するものてあり、前記第1の環境効果
第1の周波数レンジにおいて変化し、前記第2の
環境効果は第2の周波数レンジにおいて変化し; 前記位相遅延デバイスを駆動して前記第1の環
境効果によつて起こされたフアイバループ長の変
化を補償して前記出力信号Woを前記第1の環境
効果に対して安定化さる安定化デバイスをさらに
備え、前記出力信号Woは前記第2の環境効果に
対しては感度を維持しており、そして 前記出力信号Woの強度の変化を検出して前記
第2の環境効果を検出する検出器をさらに備え
る、フアイバ光学センサ。 2 前記位相遅延デバイスは波長±φ0の整数倍
に等しい前記周回位相遅延を前記回転光に与える
ものであり、ここで: φ0=cos-1{1/η−1/2−1/2√9−4/
η+4η2} (25) であり、また η=4Kr/(1+Kr)2 (26) であり、またKrは共鳴結合定数である、特許請
求の範囲第1項記載のフアイバ光学センサ。 3 前記位相遅延デバイス118は前記回転光に
全周回位相遅延を与えてループの長さの変化に対
する前記出力信号Woの感度が最大値となるよう
にする、特許請求の範囲第1項または第2項記載
のフアイバ光学センサ。 4 前記第1の環境効果は温度である、特許請求
の範囲第1項ないし第3項のいずれかに記載のフ
アイバ光学センサ。 5 前記第2の環境効果は音響波を含む、特許請
求の範囲第1項ないし第4項のいずれかに記載の
フアイバ光学センサ。 6 前記位相遅延デバイスは、 前記フアイバループの一部分が巻かれている
PZTシリンダを備える、特許請求の範囲第1項
ないし第5項のいずれかに記載のフアイバ光学セ
ンサ。 7 前記安定化デバイスは: 前記検出器からの電気信号によつて前記位相遅
延デバイスを駆動する電子回路を備え、前記電子
回路は前記信号をろ波して前記第1の周波数レン
ジの中にある周波数成分を通過させ、前記第2の
周波数レンジの中にある周波数成分を有効にブロ
ツクする、特許請求の範囲第1項ないし第6項の
いずれかに記載のフアイバ光学センサ。 8 前記電子回路は前記第1の周波数レンジの中
にある信号成分に対して選択的な利得を与える積
分器を備える、特許請求の範囲第7項記載のフア
イバ光学センサ。 9 光フアイバを利用する、音響波を検知する方
法であつて、 光フアイバの中にループを形成するステツプ
と; 前記ループを通して入力光を伝播させ光学的出
力信号Woを与えるステツプと; フアイバ光学結合器を用いて前記ループを閉じ
るステツプと; 前記ループの長さを選択して共鳴空洞を与える
ステツプとを備え、前記ループ長は前記出力信号
Woの強度に影響を与えるものであり、 熱的に誘起されたループ長の変化を補償して前
記出力信号Woの強度を前記熱的に誘起された変
化に対して安定化するステツプをさらに備え;そ
して 前記出力信号Woを検出して前記音響波の存在
を検知するステツプをさらに備える、音響波を感
知する方法。 10 前記選択を行なうステツプは: ループ長の変化に対する前記出力信号Woの強
度の感度の最大点を決めるステツプと、 前記ループ長を選択して前記感度の最大点にお
ける出力信号強度を与えるステツフとを備える、
特許請求の範囲第9項記載の光フアイバを利用し
た、音響波を感知する方法。 11 前記補償のステツプは 前記感知された音響波の周波数よりも低い周波
数をもつた前記出力信号Woの成分を検出するス
テツプと 前記検出された周波数成分に応答して前記ルー
プの長さを変化するステツプとを備える、特許請
求の範囲第9項または第10項記載の光フアイバ
を利用して音響波を感知する方法。
Claims: 1. A single seamless strand of optical fiber having first and second ends and a loop portion therebetween; a fiber optical coupler optically closing said fiber loop; a light source providing a light wave Wi at the first end, the light wave propagating through the fiber to the second end, and an optical output having an intensity dependent on the length of the loop. further comprising a phase delay device for providing a signal Wo to control a circular phase delay of light rotating through the fiber loop and providing a resonant cavity for the rotating light; sensing a second environmental effect, the first environmental effect varying in a first frequency range, and the second environmental effect varying in a second frequency range; driving the phase delay device; further comprising a stabilizing device to compensate for changes in fiber loop length caused by the first environmental effect to stabilize the output signal Wo with respect to the first environmental effect, the output signal Wo being The fiber optical sensor remains sensitive to the second environmental effect and further comprises: a detector for detecting a change in the intensity of the output signal Wo to detect the second environmental effect. 2. The phase delay device provides the rotating light with the circular phase delay equal to an integer multiple of the wavelength ±φ 0 , where: φ 0 =cos −1 {1/η−1/2−1/2 √9-4/
The fiber optical sensor of claim 1, wherein η+4η 2 } (25) and η=4Kr/(1+Kr) 2 (26) where Kr is a resonant coupling constant. 3. The phase delay device 118 provides a full-circle phase delay to the rotating light so that the sensitivity of the output signal Wo to changes in loop length is maximized. Fiber optical sensor as described in Section. 4. A fiber optical sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the first environmental effect is temperature. 5. A fiber optical sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein the second environmental effect includes an acoustic wave. 6. The phase delay device is wound around a portion of the fiber loop.
A fiber optical sensor according to any one of claims 1 to 5, comprising a PZT cylinder. 7. The stabilization device: comprises an electronic circuit for driving the phase delay device with an electrical signal from the detector, the electronic circuit filtering the signal to be within the first frequency range. 7. A fiber optic sensor as claimed in any one of claims 1 to 6, which passes frequency components and effectively blocks frequency components lying within said second frequency range. 8. The fiber optical sensor of claim 7, wherein said electronic circuitry comprises an integrator that provides selective gain for signal components within said first frequency range. 9. A method for detecting acoustic waves using an optical fiber, comprising the steps of forming a loop in the optical fiber; propagating input light through said loop to provide an optical output signal Wo; fiber optical coupling. closing the loop using a resonator; and selecting a length of the loop to provide a resonant cavity, the loop length being determined by the output signal.
affecting the strength of the output signal Wo, further comprising the step of compensating for thermally induced loop length changes to stabilize the strength of the output signal Wo with respect to the thermally induced changes. and detecting the presence of the acoustic waves by detecting the output signal Wo. 10 The steps for making the selection include: determining a maximum point of sensitivity of the intensity of the output signal Wo to changes in loop length; and selecting the loop length to provide an output signal strength at the maximum sensitivity point. prepare,
A method for sensing acoustic waves using the optical fiber according to claim 9. 11 The compensation step includes: detecting a component of the output signal Wo having a frequency lower than the frequency of the sensed acoustic wave; and changing the length of the loop in response to the detected frequency component. A method for sensing acoustic waves using an optical fiber according to claim 9 or claim 10, comprising the steps of:
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